Waiting
Elaborazione accesso...

Trial ends in Request Full Access Tell Your Colleague About Jove
JoVE Journal Behavior
Click here for the English version

Behavior

Gentagne Transcranial magnetisk stimulation til den ensidige halvkugle af Rat Brain

Published: October 22, 2016 doi: 10.3791/54217
Automatic Translation
1,2, 2,3,4, 5, 6, 7, 7
1Department of Rehabilitation Medicine, Chungnam National University Hospital, Daejeon, 2Department of Biomedical Engineering, Seoul National University College of Medicine, 3Institute of Medical and Biological Engineering, Medical Research Center, Seoul National University, 4Department of Biomedical Engineering, Seoul National University Hospital, 5Department of Nuclear Medicine, Seoul National University Hospital, Seoul National University College of Medicine, 6Department of Rehabilitation Medicine, Gangwon Do Rehabilitation Hospital, 7Department of Rehabilitation Medicine, Seoul National University Hospital, Seoul National University College of Medicine

Introduction

Gentagne transkraniel magnetisk stimulation (rTMS), et værktøj til ikke-invasiv brain stimulation og Neuromodulation, er blevet anvendt i behandlingen af forskellige tilstande, såsom central smerte 1,2, depression 3, migræne 4, og endda slagtilfælde 5-7. Hurtigt skiftende elektrisk strøm gennem spolerne på hovedet inducerer et elektrisk felt på hjernebarken og en resulterende neuronal aktivering. Den ophidselse af hjernebarken kan moduleres af rTMS, der kan vare i mere end 30 minutter efter stimuleringen er afsluttet.

Foreslåede mekanismer for rTMS eftervirkning indbefatter langtidspotensering / depression-lignende effekt 8, forbigående ændring i ionisk ligevægt 9, og metaboliske ændringer 10. Desuden Di Lazzaro et al. antyder, at intermitterende theta-burst stimulation påvirker de excitatoriske synaptiske input til pyramideformet tract neuroner, både i den stimuleredeog den kontralaterale hemisfære 11.

Væsentlige begrænsninger har dog forhindret forskere fra oversætte på bænk beviser til kliniske situationer. Først i tidligere dyreforsøg blev rTMS anvendt til hel-hjerne stimulation 12. Hel-brain stimulation er helt forskellig fra de protokoller, der anvendes i humane undersøgelser 9. Det andet problem er relateret til stimuleringen varighed. Dette er i det mindste delvis skyldes, at et effektivt kølesystem var utilgængelig for små spoler i fortiden.

I de senere år er skelsættende artikler publiceret foreslår måder til at overvinde disse vanskeligheder i den rTMS eksperiment på den lille dyrehjerne. Ved disse dyremodeller, blev det afsløret, at rottehjernen viser også lignende corticale excitabilitet ændringer som i human som reaktion på lavfrekvente rTMS 13. Vigtigere, cellulære og molekylære mekanismer i rTMS i stigende being undersøgt med dyremodeller for rTMS. Et eksempel herpå er, at en særskilt type hæmmende interneuron er kendt for at være mest følsomme over for intermitterende theta burst stimulation 14. Gnavermodeller af rTMS dermed giver nye muligheder for at udforske meget-søgte spørgsmål om de molekylære fundament for rTMS-inducerede ændringer. Hvis der kan bruges små dyremodeller af rTMS i flere laboratorier, kan det i høj grad fremskynde og styrke forskningen på dette område.

Vi beskriver nu, hvordan man anvender rTMS til den ensidige halvkugle af rotte hjerne, en udvidelse af det tidligere arbejde 15. Stimulation-fremkaldte ændringer blev vurderet ved hjælp af mikro-positronemissionstomografi (PET) og mRNA microarrays at studere rTMS-inducerede ændringer i den stimulerede hjernebarken.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

Alle de procedurer ved hjælp af dyr blev revideret og godkendt af Institutional Animal Care og brug Udvalg for Seoul National University Hospital.

1. Eksperimentel opsætning

  1. forberedelse Animal
    1. Tillad Sprague-Dawley rotter en uge til at tilpasse sig deres nye miljø, før du starter eksperimentet.
      BEMÆRK: Selvom 8 uger gamle rotter blev anvendt i den foreliggende undersøgelse, kan en udviklende eller voksne hjerne vælges efter de forskningshypoteser.
  2. Indånding anæstesi til induktion
    1. Inducere og vedligeholde anæstesi med 5% og 2% af isofluran opløst i 40% / 60% og 25% / 75% oxygen / nitrogen via et kammer og næsekegle hhv. Juster anæstesi dybde til niveauet for afskaffelse af pedalen tilbagetrækning refleks til tå knivspids for at bekræfte korrekt bedøvelse.
      BEMÆRK: Brug vækket dyr kan være et bedre valg i translationelle vilkår, men der er svært at begrænse under rTMS og tHey er tilbøjelige til overdreven stress.
    2. Overvåg kropstemperaturen med en rektal sonde og vedligeholde det ved 37 ° C ved anvendelse af et homeotermisk tæppe. Overvåg anæstetisk dybde ved hjælp pedal tilbagetrækning refleks, temperatur, respirationsfrekvens og puls.
  3. Skift over til intravenøs anæstesi til vedligeholdelse
    1. Forbered halen med en spritserviet. Selvkaterisation en lateral halevene med en 24-gauge venekateter for overgang til IV anæstesi (figur 1A). Load propofol intravenøst ​​(1 mg / kg [· min] i løbet af 10 min, under anvendelse af 10 mg / ml emulsion) til dyrene. Afbryd isofluran 5 min efter start propofol læsning.
    2. Oprethold propofol sedation med en infusionshastighed på 500 - 700 ug / (kg · min) gennem hele forsøget, som i en tidligere undersøgelse 16. Supplement oxygen ved 0,8 L / min via en næsekegle.
      BEMÆRK: Anæstesi med propofol er at reducere potentiel undertrykkelse af cortical uro ved inhalation agent 17-19. Men anæstesi er ikke obligatorisk i rTMS eksperimenter, og vækket dyr kan også anvendes. Anæstesi metoder bør besluttes i betragtning af forskningsresultaterne hypoteser.
    3. Brug veterinær salve på øjnene for at forhindre tørhed, mens under anæstesi.
    4. Påfør magnetisk stimulation (se section2) 10 min efter fuldstændig overgang til iv anæstesi.
  4. Recovery betingelser
    1. Overvåg vitale tegn under opsving fase. Lad ikke dyret uden opsyn, indtil det har genvundet tilstrækkelig bevidsthed til at opretholde brystleje. Hvis et dyr har gennemgået kirurgi, skal du ikke returnere den til selskab med andre dyr, indtil fuldt tilbagebetalt.
      BEMÆRK: Hvis operation for en sygdomsmodel er udført, er det nødvendigt postkirurgisk smertebehandling. Imidlertid er smertebehandling ikke nødvendig for denne rTMS eksperiment.

2. Gentagne Transcranial Magnetisk Stimulation

  1. Stimulator og spole
    1. Påfør stimulering med anvendelse af en repetitiv stimulator, der leverer bifasiske stimuli via en 25 mm figur-8 spole. Find midten af ​​spolen 0,5 cm lateralt for toppunktet på biauricular linje, og angulate spolen 45 ° til jorden.
      BEMÆRK: Den maksimale magnetfeltstyrke af spolen er 4,0 T. Den magnetiske spole er monteret fast på en indbygget holder.
  2. motoriske tærskel
    1. Bestem tærsklen motor (MT) på hot spot, med centrum af spolen placeret 0,5 cm lateralt for toppunktet på biauricular linje og med overfladen fladt på calvaria. Det er den samme metode, der anvendes i en tidligere undersøgelse 20.
      BEMÆRK: Definer MT som minimum stimulus intensitet fremkalde 5 eller mere håndgribelige sammentrækninger på den kontralaterale forpote af 10 på hinanden følgende stimuli. Kontrollere, om stimuleringen primært forårsager kontralaterale muskelsammentrækning at sikre ensidig stimulation.
    2. Anvendelse af rTMS
      1. Påfør rTMS 10 min efter stabilisering af dyb anæstesi. Placer midten af ​​spiralen på målet rTMS site, valgt blandt de cerebrale cortex afhængigt forskningsspørgsmål. Derefter vippe spolen for at sikre direkte kontakt mellem spolen centrum og overfladen af ​​kraniet ved stimulering punkt.
        BEMÆRK: For eksempel, angulate spolen 45 ° til jorden minimere en potentiel direkte virkning af rTMS på den kontralaterale cortex (figur 1B og 1C).
      2. Emne dyrene til et møde i 20-min rTMS af den ensidige halvkugle. Brug af softwaren konsol, leverer rTMS med en lavfrekvent (1 Hz), højfrekvente (20 Hz), eller sham stimulation protokol, og indstil stimulation intensitet ved 100 - 110% af MT.
      3. Udfør en Hz stimulation uden hvile. Brug af softwaren konsol indgang "1.200" skud for "20" min). For 20 Hz stimulation, foretage 2 sek stimulering efterfulgt af 28sek hvile. Brug af softwaren konsol indgang "1.600" skud for "20" min.
      4. For fingeret stimulation, vippe spolen vinkelret (90 ° rotation) til calvaria og placere spolen kant 2 cm afstand fra hoved overflade (Figur 1D). Fastgør holderen spolen fast til den vigtigste apparat; der er ingen grund til at holde spolen med hånden under eksperimentet.
        BEMÆRK: For at kompensere for akustiske og andre ikke-specifikke effekter, bør distinkte fingeret protokoller bruges til forskellige stimulation protokoller. For eksempel kan 1-Hz sham stimulation anvendes til 1-Hz rTMS eksperimenter.
    3. Køling spolen
      1. Brug en vand kølesystem for at muliggøre gentagen magnetisk stimulation i mere end 20 minutter ved 1- og 20-Hz stimulationsfrekvenser (figur 2). Cirkulere iskolde vand omkring hele længden af ​​spolen under eksperimentet for at undgå overophedning, selv om temperaturen af ​​spolen eller stimulatoren ikke overvåges.
        BEMÆRK: Kommercielt tilgængelige afkølede rotte spoler kan også anvendes.
      2. Hvis det er muligt, overvåge spolen temperatur ved at se opvarmningen gauge af rTMS maskine. BEMÆRK: Der var ingen negative konsekvenser i forbindelse med den rTMS stimulation. Der er imidlertid en potentiel brænde risiko, hvis identifikation metal ear tags bruges nær stimulerende spole.

    3. Micro Positron Emission Tomography

    1. forberedelse Animal
      1. Udføre indånding anæstesi til induktion og iv anæstesi for vedligeholdelse (se trin 1.2.1 og 1.3.1). Påfør 1-Hz rTMS til et dyr i 10 minutter ved en stimulering intensitet på 100-110% af MT.
      2. Fem minutter efter endt rTMS stimulering, injiceres 1 mCi af 2- [F-18] fluor-deoxyglucose (18 FDG) opløst i 0,5 ml normalt saltvand intravenøst ved anvendelse af en halevene kateter. Tillad 30 min til 18 FDG optagelse. BEMÆRK: Placer rotten under anæstesi under hele mikro-PET eksperiment.
    2. billedanalyse
      1. Brug en PET-scanner til hjernescanning at bekræfte unilaterality af stimulation. Rekonstruere billeder med en 3-D iterativ algoritme. For at vurdere ændringerne i stofskiftet induceret af rTMS, identificere områder af interesse (ROI'er) i billederne af de tværgående hjerne Section 21.
    3. Eutanasi
      1. Efter udførelse mikro-PET-billeddannelse, aflive rotterne i et kammer forfyldt med carbondioxid, mens rotterne er i dyb anæstesi.

    4. mRNA Microarray

    1. Eutanasi
      1. Inducere og vedligeholde anæstesi med 5% og 2% af isofluran opløst i 40% / 60% og 25% / 75% oxygen / nitrogen via et kammer og næsekegle hhv. Bedøve dybt til niveauet for afskaffelse af pedalen tilbagetrækning refleks til tå knivspids før bliver halshugget.
      2. Halshugge rotterne for eutanasi 5 min efter en session af 1-Hz rTMS.
    2. tissue høst
      1. Udlæg materialer og kirurgiske instrumenter i størrelsesordenen brug, herunder foldede papirhåndklæder, en knogle rongeur, microscissors, større kirurgiske sakse, et microforcep, en nr 10 eller 11 skalpelblad, et låg 10 cm glas petriskål fyldt med is og 1,5-ml rør. Forbered en plastpose til bortskaffelse af slagtekrop.
      2. Lav en midtlinie incision i huden i kraniet anterioposteriorly. Ligeud dissekere det bløde væv og omkringliggende muskler med kirurgiske sakse, og fjern kraniet stykke under anvendelse af en knogle rongeur. Hurtigt dissekere den friske hjerne grundigt igennem kraniet. Derefter lægge den på is ved hjælp af microforceps og microscissors. Skyl hjernevævet i iskoldt normalt saltvand.
      3. Overfør hjernen til tøris øjeblikkeligt, og efterfølgende opbevare den ved -80 ° C i et rør, indtil yderligere forarbejdning.
      4. Optø hjernevæv før høst.
      5. Placer hjernen dorsale side op, og høste hjernevævet fra stimulated hjernebarken (omkring hot spot i den primære motor cortex) på is ved hjælp af microforceps og microscissors. Sætte det høstede væv i 1,5-ml rør.
    3. RNA-fremstilling
      1. Uddrag totalt RNA fra vævshomogenater ved hjælp lysis reagens 22. Proces med DNase fordøjelse og oprydning procedurer. Kvantificere RNA-prøver og alikvoter og opbevares ved -80 ° C indtil anvendelse.
      2. For kvalitetskontrol, evaluere RNA renhed og integritet ved denaturering gelelektroforese, ved en OD-forhold på 260: 280, og analysere dem på en kommercielt tilgængelig analysator.
    4. Mærkning og rensning
      1. Forstærke og oprense total RNA ved anvendelse af et kommercielt tilgængeligt RNA-amplifikation kit til opnåelse biotinyleret cRNA. Kort fortalt, revers-transskribere 550 ng af total RNA til cDNA ved anvendelse af en T7-oligo (dT) primer. Syntetisere og in vitro transskribere anden-streng cDNA og derefter mærke det med biotin-NTP.
      2. efter purification, kvantificere cDNA ved anvendelse af et spektrofotometer.
    5. Hybridisering og data eksport 23
      1. Bruger udtrykket beadchip for mRNA-ekspression analyse. Hybridisere de mærkede 750-ng cDNA prøver til hver rotte-12-ekspression bead matrix i 16 - 18 timer ved 58 ° C. Udføre detektering af arrayet signal ved anvendelse af streptavidin-Cy3.
      2. Scannings arrays med en konfokal skanner. Udfør vifte af data eksport behandling og analyse ved hjælp af en kommercielt tilgængelig software.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

Femten 8-uger gamle Sprague-Dawley-rotter blev anvendt til en særskilt inter-tester pålidelighed analyse af MT-bestemmelse. Brug palpering af muskeltrækninger, var MTS fås i alle rotter og måles som 33,00 ± 4,21% maksimal stimulator output (% MSO) og 33,93 ± 0,88% MSO henholdsvis af to uafhængige forskere. Bland-Altman skævhed var -0,93, og 95% grænserne for aftale var -9,13 til 7,26%.

I mikro-PET eksperiment på seks 8 uger gamle rotter (n = 4 i 1-Hz rTMS, og n = 2 i fingeret rTMS gruppe), blev optagelsen af 18 F-FDG i ROIs beregnet som gennemsnit nCi / cc efter kalibrering af både ipsilaterale og kontralaterale cerebrale cortex i de samme billeder. Radioaktiviteten i den kontralaterale området blev anvendt som reference til at normalisere data opnået i den ipsilaterale område, og den differentielle optagelse ratio (DUR) blev beregnet.De gennemsnitlige DURs opnået fra tre på hinanden følgende tværgående billeder blev gennemsnit at opnå DURs for rotterne. Det er den samme metode, der anvendes i en tidligere undersøgelse 21. 18 FDG-PET-billeder viste et samlingspunkt stigning i glukosemetabolismen i stimulerede venstre kortikale område i 1-Hz-gruppe, støtter unilaterality af rTMS (figur 3).

I mRNA microarray undersøgelsen blev kvaliteten af ​​hybridisering og den samlede chip ydeevne overvåges ved visuel inspektion af både de interne kontroller kvalitetskontrol og rå scannede data. Array data blev filtreret efter en detektering p-værdi på <0,05 (svarende til signal-til-støj-forhold) i mindst 50% prøver (en højere signalværdi var påkrævet for at opnå en detektering p-værdi på <0,05). Det udvalgte gen signalværdi blev transformeret ved logaritme og normaliseret ved anvendelse af en fraktil metode. Den statistiske signifikans af udtrykket data blev bestemt ved anvendelse af Mann-Whitney U test og fold ændring som nulhypotesen var, at der ikke findes nogen forskel mellem 1-Hz rTMS (n = 4) og sham-grupper (n = 4). Den falske opdagelse sats blev styret ved indstilling af p-værdi ved hjælp af Benjamini-Hochberg algoritme. Efter normalisering og filtrering, mRNA'er viser betydelige differentielle udtryk (| fold ændring | 1,2, p <0,05) blev udvalgt. Som følge heraf ekspressionsniveauerne af de umiddelbare tidlige gener var signifikant højere i rTMS gruppen end i sham-gruppen, med udtrykkene for Arc, JunB og Egr2 gener opregulerede (figur 4A).

Desuden målte vi BDNF mRNA udtryk i den stimulerede og kontralaterale cortex efter 5 dage i træk på 20-min rTMS (n = 5 hver i 1-Hz og 20 Hz grupper). Efter 1-Hz stimulation, BDNF mRNA-ekspression var betydeligt higher i stimulerede cortex end i den kontralaterale on (figur 4B). Dette afslørede differentierede rTMS-inducerede ændringer i de stimulerede og kontralaterale cerebrale cortex.

figur 1
Figur 1. Eksperimentel indstillinger. (A) En intravenøs kateter indsættes i en lateral halevene (pil), og en næsekegle anvendes til anæstesi med isofluran samt for iltsupplement efter en overgang til intravenøs propofol. (B ) Dorsal anterolateral visning under rTMS. (C) Dorsal posterior visning. Overfladen af en figur-of-8 spolen er vinklet 45 ° i forhold til jorden for at minimere den potentielle direkte stimulering af det kontralaterale cortex. (D) En skematisk illustration af sham rTMS. Spolen er placeret 2 cm væk fra og vippes vinkelret (90 ° rotation)til calvaria. Klik her for at se en større version af dette tal.

Figur 2
Figur 2. Cooling System bruger en vand-cirkulationspumpe med Motor. Ice pakning på kobbertråde i spolen er ikke nødvendig, da kølesystemet indpakke kablet af spolen er tilstrækkelig til at afkøle den varme, der produceres ved kobbertråde. Overfladen af ​​spolen ikke er i direkte kontakt med isvand. Kølesystemet er aktiv under stimulation sessioner.

Figur 3
Figur 3. Positron Emission Tomography (PET) billede. (A) De koronale sektioner af mikro-PET-billeder afen rotte opnået under anvendelse af 2- [F-18] fluor-deoxyglucose, viser forøget lokal glucosemetabolisme i stimulerede cortex efter 1-Hz rTMS i 10 minutter ved 100% af MT (pile). (B) Forholdet af FDG-optagelse i stimulerede / kontralateral cortex i 1-Hz (n = 4) og sham rTMS (n = 2). klik her for at se en større version af dette tal.

Figur 4
Figur 4. mRNA Microarray af de umiddelbare tidlige gener og BDNF. (A) Arc, JunB, og Egr2 blev differentielt udtrykt, der blev identificeret på microarray opnået 5 min efter en session af 1-Hz rTMS, bestilt af fold forandring. Ekspressionsniveauerne af generne var signifikant højere i rTMS (n = 4) than i fingeret gruppen (n = 4) (p <0,05 med Mann-Whitney U test), med udtryk for de Arc, JunB, og Egr2 gener opregulerede. (B) Efter 5 dage i træk på 20-min 1-Hz rTMS, BDNF mRNA-ekspression var signifikant højere i den stimulerede cortex end i den kontralaterale side (* p <0,05, Wilcoxon-test). klik her for at se en større version af dette tal.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

Det primære formål med denne undersøgelse var at indføre en dyremodel af ensidige rTMS. Selvom ensidig stimulation er en af ​​de mest grundlæggende karakteristika ved menneskelige rTMS forskning, har mange undersøgelser ikke vedtaget det i små dyr. Men Rotenberg et al. 15 indspillede kontralaterale MEP'er med stimulering af 100% MT ved hjælp af en figur-8 spole med en udvendig lap diameter på 20 mm, mens stimulation med 112,5% og 133,3% MT produceret ipsilaterale samt kontralaterale parlamentsmedlemmer. Det kan skyldes den store inducerede elektriske felt kan påvirke den kontralaterale hemisfære. Således er vores studie er en forlængelse af denne tidligere arbejde 15,24, ved at flytte spolen mere laterale og vippe den til at fremhæve ensidig stimulering. Det primære formål med denne undersøgelse blev opnået, fordi vi bekræftede, at mikro-PET afslørede en lokal stigning i glukosemetabolismen i stimulerede hjernebarken efter rTMS (figur 3).

jove_content "> Placering og vinkling af spolen er kritiske trin i dette forsøg. Ensidig stimulation er mulig ved at placere midten af ​​rTMS spolen 1 cm lateralt for toppunktet på biauricular linje og angulating coil 45 ° til jorden. Stimuleringen site kan være forskellig fra den primære motor cortex (M1), afhængigt af den tilstand, at undersøgere ønsker at målrette med rTMS. for eksempel til forbedring depression, er det dorsolaterale præfrontale cortex (DLPFC) stimuleret med rTMS, men motoren tærskel, som måles endvidere i M1, bestemmer stimulationsintensiteten selv for DLPFC rTMS ligeledes hotspot -. 0,5 cm lateralt for toppunktet på biauricular line - blev anvendt til at bestemme motortærskel i nærværende undersøgelse Jo mere laterale cortex -. 1 cm lateralt i forhold til toppunktet - bevidst blev valgt for at sikre den unilaterality af stimulering og undersøge rTMS-inducerede molekylære ændringer.

ve_content "> Som for den magnetiske feltstyrke i vævet, i en tidligere finite element modeling undersøgelse af det inducerede elektriske felt i muse hjerne, det inducerede elektriske felt ved 70 mm figur-8 spole ved 75% MSO nåede ca. 150 V / m på hjernen overflade og i cortex. den elektriske feltstyrke faldt dramatisk som afstanden øges, viser den maksimale dybde med større end 100 V / m styrke var kun 1,9 mm for 70 mm figur-8 spole 25. i en anden rotte undersøgelse, ved 10 mm dybde det inducerede elektriske feltstyrke faldt til 25% af denne på hjernen overflade 26. Interessant halv kraft region (HPR) var så bredt som ~ 7 x 7 mm (0,51 cm2), selv når en 25 mm figur-8 spole blev anvendt 25. Selvom konkrete tal ikke blev leveret til 70 mm figur-8 spole, Salvador og Miranda kommenterede, at HPR for 70 mm spole var større end de 25 mm spole. Da vi ønskede at forhindre HPR omfatter dekontralaterale hemisfære, valgte vi en plet 1 cm lateralt for midterlinjen. Tilting var uundgåeligt at sikre direkte kontakt mellem spolen centrum og overflade af kraniet ved stimulering punkt.

Anæstesi kan potentielt nedtrykke neuronexcitabilitet, glucosemetabolisme, og genekspression. Haghighi et al. afslørede, at isofluran i en koncentration på 0,5% væsentligt deprimerede elektriske transkraniel MEP'er optaget fra rotter 17. På den anden side, blev MEP'erne bevares under infusion af propofol så højt som 40 mg / [kg · hr], med amplituder forbliver stort i rotter 18. I en menneskelig undersøgelse, blev der ikke sammensatte muskel aktionspotentialer (CMAP) opdaget under isofluran anæstesi. Imidlertid 333 Hz, fire-puls magnetisk stimulering fremkaldte CMAP i hypothenar musklen i 75% af patienterne, og i den forreste tibial muskel i 65% af patienterne, under propofol anæstesi 19. Brug vækket dyr kan være et bedre valg i fysiological aspekter, men de er ikke let at begrænse under rTMS og er tilbøjelige til stressende forhold.

Som fejlfinding, en simpel køler, der anvendes en vand-cirkulationspumpe muligt for os at forlænge stimuleringen varighed i mere end 20 min selv ved en 20-Hz stimulation frekvens. Dette er vigtigt, fordi det giver så mange stimulationer som i rTMS protokoller til mennesker. Køling af 8-tals spole med kun en håndholdt iskoldt vand posen ikke var tilstrækkelig til at sikre stimulering af mere end 20 min. Lang rTMS varighed i små dyr vil give mulighed for en dybtgående undersøgelse af de molekylære mekanismer i rTMS. Kommercielt tilgængelige afkølede rotte spoler vil være rimelige alternativer.

Der var flere begrænsninger i dette forsøg. Første er det kun en bifasisk impuls var tilgængelig, som var en begrænsning af rTMS maskine vi anvendte. Der vil være behov fremtidige studier for at undersøge virkningen af ​​forskellige impulser og kurver.For det andet vedtog vi en pragmatisk tilgang til at bestemme motorens tærskel ved palpation. Selv om denne metode kan være ringere end EMG teknikker med hensyn til nøjagtighed, er det let at reproducere og gælder for mange forskningsprojekter hypoteser. For eksempel, hvis det primære formål med en forsker var at undersøge forskelle mellem primære motor cortex og tilstødende subcortices i rTMS-induceret gen eller protein ekspression, ville mere præcis bestemmelse af motoriske tærskel være nødvendig. Hvis en forsker, ønskede imidlertid at analysere rTMS-induceret genekspressionsprofiler i dorsolaterale præfrontale cortexvæv, kan den foreliggende pragmatisk fremgangsmåde tilstrækkelig, fordi afstanden og vinklen mellem målvævet og spolen kan variere lidt under bevægelsen af ​​spolen fra M1 til DLPFC område. Tredje, selv om vi med succes anvendt rTMS på den ensidige halvkugle af rottehjernen, stadig stimulering er ikke så fokal som rTMS i human forskning. Den inducerede stærkt elektrisk field på ~ 0,5 cm 2 på mindre end 10 cm2 af rottehjernen overflade forekommer relativt mere diffus end den, den humane hemisfærisk overflade ~ 2.500 cm 2 27. Vi mener dog, at den præsenterede model heri kan anvendes til at belyse de molekylære mekanismer i rTMS ved at tillade analyse af det inter-hemisfærisk forskel i sin virkning.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Materials

Name Company Catalog Number Comments
Homeothermic blanket with a rectal probe Harvard apparatus 507222F
Isoflurane (Forane sol.) Choongwae
Propofol (Provive Inj. 1% 20 ml) Claris Lifesciences
Repetitive magnetic stimulator (Magstim Rapid2) Magstim Company Ltd
25 mm figure-of-8 coil Magstim Company Ltd 1165-00
PET-CT GE Healthcare
QIAzol Lysis Reagent Qiagen (US Patent No. 5,346,994)
RNeasy Lipid Tissue Mini Kit Qiagen 74804
RNeasy Mini Spin Columns Qiagen (Mat No. 1011708)
Agilent 2100 Bioanalyzer Agilent Technologies
Ambion Illumina RNA amplification kit Ambion
Nanodrop Spectrophotometer NanoDrop ND-1000
Illumina RatRef-12 Expression BeadChip Illumina, Inc.
Amersham fluorolink streptavidin-Cy3 GE Healthcare Bio-Sciences

DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

  1. Lefaucheur, J. P., et al. Neurogenic pain relief by repetitive transcranial magnetic cortical stimulation depends on the origin and the site of pain. J Neurol Neurosurg Psychiatry. 75 (4), 612-616 (2004).
  2. Hirayama, A., et al. Reduction of intractable deafferentation pain by navigation-guided repetitive transcranial magnetic stimulation of the primary motor cortex. Pain. 122 (1-2), 22-27 (2006).
  3. O'Reardon, J. P., et al. Efficacy and safety of transcranial magnetic stimulation in the acute treatment of major depression: a multisite randomized controlled trial. Biol Psychiatry. 62 (11), 1208-1216 (2007).
  4. Brighina, F., et al. Facilitatory effects of 1 Hz rTMS in motor cortex of patients affected by migraine with aura. Exp Brain Res. 161 (1), 34-38 (2005).
  5. Lefaucheur, J. P. Stroke recovery can be enhanced by using repetitive transcranial magnetic stimulation (rTMS). Neurophysiol Clin. 36 (3), 105-115 (2006).
  6. Khedr, E. M., Ahmed, M. A., Fathy, N., Rothwell, J. C. Therapeutic trial of repetitive transcranial magnetic stimulation after acute ischemic stroke. Neurology. 65 (3), 466-468 (2005).
  7. Fregni, F., et al. A sham-controlled trial of a 5-day course of repetitive transcranial magnetic stimulation of the unaffected hemisphere in stroke patients. Stroke. 37 (8), 2115-2122 (2006).
  8. Pascual-Leone, A., Valls-Sole, J., Wassermann, E. M., Hallett, M. Responses to rapid-rate transcranial magnetic stimulation of the human motor cortex. Brain. 117 (4), 847-858 (1994).
  9. Ridding, M. C., Rothwell, J. C. Is there a future for therapeutic use of transcranial magnetic stimulation). Nat Rev Neurosci. 8 (7), 559-567 (2007).
  10. Valero-Cabre, A., Payne, B. R., Pascual-Leone, A. Opposite impact on 14C-2-deoxyglucose brain metabolism following patterns of high and low frequency repetitive transcranial magnetic stimulation in the posterior parietal cortex. Exp Brain Res. 176 (4), 603-615 (2007).
  11. Di Lazzaro, V., et al. The physiological basis of the effects of intermittent theta burst stimulation of the human motor cortex. J Physiol. 586 (16), 3871-3879 (2008).
  12. Post, A., Keck, M. E. Transcranial magnetic stimulation as a therapeutic tool in psychiatry: what do we know about the neurobiological mechanisms. J Psychiatr Res. 35 (4), 193-215 (2001).
  13. Muller, P. A., Dhamne, S. C., Vahabzadeh-Hagh, A. M., Pascual-Leone, A., Jensen, F. E., Rotenberg, A. Suppression of motor cortical excitability in anesthetized rats by low frequency repetitive transcranial magnetic stimulation. PLoS One. 9 (3), 91065 (2014).
  14. Funke, K., Benali, A. Modulation of cortical inhibition by rTMS - findings obtained from animal models. J Physiol. 589 (18), 4423-4435 (2011).
  15. Rotenberg, A., et al. Lateralization of forelimb motor evoked potentials by transcranial magnetic stimulation in rats. Clin Neurophysiol. 121 (1), 104-108 (2010).
  16. Beom, J., Kim, W., Han, T. R., Seo, K. S., Oh, B. M. Concurrent use of granulocyte-colony stimulating factor with repetitive transcranial magnetic stimulation did not enhance recovery of function in the early subacute stroke in rats. Neurol Sci. 36 (5), 771-777 (2015).
  17. Haghighi, S. S., Green, K. D., Oro, J. J., Drake, R. K., Kracke, G. R. Depressive effect of isoflurane anesthesia on motor evoked potentials. Neurosurgery. 26, 993-997 (1990).
  18. Fishback, A. S., Shields, C. B., Linden, R. D., Zhang, Y. P., Burke, D. The effects of propofol on rat transcranial magnetic motor evoked potentials. Neurosurgery. 37 (5), 969-974 (1995).
  19. Rohde, V., Krombach, G. A., Baumert, J. H., Kreitschmann-Andermahr, I., Weinzierl, M., Gilsbach, J. M. Measurement of motor evoked potentials following repetitive magnetic motor cortex stimulation during isoflurane or propofol anaesthesia. Br J Anaesth. 91 (4), 487-492 (2003).
  20. Lee, S. A., Oh, B. M., Kim, S. J., Paik, N. J. The molecular evidence of neural plasticity induced by cerebellar repetitive transcranial magnetic stimulation in the rat brain: a preliminary report. Neurosci Lett. 575, 47-52 (2014).
  21. Fu, Y. K., et al. Imaging of regional metabolic activity by (18)F-FDG/PET in rats with transient cerebral ischemia. Appl Radiat Isot. 67 (18), 1743-1747 (2009).
  22. Silveyra, P., Catalano, P. N., Lux-Lantos, V., Libertun, C. Impact of proestrous milieu on expression of orexin receptors and prepro-orexin in rat hypothalamus and hypophysis: actions of Cetrorelix and Nembutal. Am J Physiol Endocrinol Metab. 292 (3), 820-828 (2007).
  23. Zidek, N., Hellmann, J., Kramer, P. J., Hewitt, P. G. Acute hepatotoxicity: a predictive model based on focused illumina microarrays. Toxicol Sci. 99 (1), 289-302 (2007).
  24. Hsieh, T. H., Dhamne, S. C., Chen, J. J., Pascual-Leone, A., Jensen, F. E., Rotenberg, A. A new measure of cortical inhibition by mechanomyography and paired-pulse transcranial magnetic stimulation in unanesthetized rats. J Neurophysiol. 107 (3), 966-972 (2012).
  25. Salvador, R., Miranda, P. C. Transcranial magnetic stimulation of small animals: a modeling study of the influence of coil geometry, size and orientation. Conf Proc IEEE Eng Med Biol Soc. 2009, 674-677 (2009).
  26. Parthoens, J., Verhaeghe, J., Servaes, S., Miranda, A., Stroobants, S., Staelens, S. Performance Characterization of an Actively Cooled Repetitive Transcranial Magnetic Stimulation Coil for the Rat. Neuromodulation. , (2016).
  27. Toro, R., et al. Brain size and folding of the human cerebral cortex. Cereb Cortex. 18 (10), 2352-2357 (2008).

Tags

Adfærd Transkraniel magnetisk stimulation neuronal plasticitet dyremodeller hjernebark positronemissionstomografi umiddelbart tidlige gener medicoteknik
Gentagne Transcranial magnetisk stimulation til den ensidige halvkugle af Rat Brain
Play Video
PDF DOI DOWNLOAD MATERIALS LIST

Cite this Article

Beom, J., Lee, J. C., Paeng, J. C.,… More

Beom, J., Lee, J. C., Paeng, J. C., Han, T. R., Bang, M. S., Oh, B. M. Repetitive Transcranial Magnetic Stimulation to the Unilateral Hemisphere of Rat Brain. J. Vis. Exp. (116), e54217, doi:10.3791/54217 (2016).

Less
Copy Citation Download Citation Reprints and Permissions
View Video

Get cutting-edge science videos from JoVE sent straight to your inbox every month.

Waiting X
Simple Hit Counter