Transkranial jævnstrøm Stimulation (TDC'er) i mus
Summary
Transkranial jævnstrøm stimulation (TDC’er) er en terapeutisk teknik foreslået til behandling af psykiatriske sygdomme. En dyremodel er afgørende for at forstå de specifikke biologiske ændringer fremkaldt af TDC’er. Denne protokol beskriver en TDC’er musemodel, der bruger en kronisk indopereret elektrode.
Abstract
Transkranial jævnstrøm stimulation (TDC’er) er en non-invasiv Neuromodulationsbehandling teknik foreslået som et alternativ eller komplementær behandling af flere neuropsykiatriske sygdomme. De biologiske effekter af TDC’er er ikke fuldt forstået, som skyldes til dels på grund af vanskeligheden ved at opnå menneskelige hjernevæv. Denne protokol beskriver en TDC’er musemodel, der bruger en kronisk indopereret elektrode giver mulighed for undersøgelse af de langvarige biologiske virkninger af TDC’er. I denne eksperimentelle model, TDC’er ændrer den kortikale genekspression og tilbyder en fremtrædende bidrag til forståelsen af begrundelsen for dens terapeutiske anvendelse.
Introduction
Transkranial jævnstrøm Stimulation (TDC’er) er en non-invasiv, billig, terapeutisk teknik, der fokuserer på neuronal modulation ved hjælp af lav intensitet kontinuerlige strømme1. Der er i øjeblikket to opsætninger (anodal og cathodal) for TDC’er. Mens den anodal stimulation udøver en nuværende elektrisk felt for svag til at udløse handling potentialer, har Elektrofysiologi undersøgelser vist, at denne metode giver ændringer i synaptisk plasticitet2. For eksempel, beviser for at TDC’er inducerer langsigtede potensering (LTP) effekter såsom øget peak amplitude af excitatoriske postsynaptiske potentialer3,4 og graduering af kortikal ophidselse5.
Omvendt, cathodal stimulation inducerer hæmning, hvilket resulterer i membranen hyperpolarisering6. En hypotese for denne mekanisme er baseret på de fysiologiske resultater hvor TDC’er er beskrevet til at modulere aktionspotentialet hyppighed og varighed i de neuronale krop3. Især denne effekt ikke direkte fremkalde handling potentialer, selvom det kan flytte depolarisering tærskel og lette eller hæmme neuronal fyring7. Disse modsatrettede effekter har tidligere vist. For eksempel, produceret anodal og cathodal stimulation modsatrettede effekter i konditioneret svar registreret via Elektromyografi aktivitet i kaniner8. Undersøgelser har imidlertid også vist, at langvarig anodal stimulation sessioner kan nedsætte ophidselse, mens stigende cathodal strømninger kan føre til ophidselse, præsenterer selv modsatrettede effekter3.
Både anodal og cathodal stimuli samlede brug af elektrode par. For eksempel i anodal stimulation, den “aktive” eller “anode” er elektrode placeret over regionen hjernen til moduleres boer “henvisning” eller “katode” elektroden er beliggende i en region, hvor effekten af aktuelle antages for at være ubetydelige9. I den cathodal stimulation, er elektrode disposition inverteret. Stimulation intensiteten for effektiv TDC’er afhænger af den aktuelle intensitet og elektrode dimensioner, som påvirker elektriske feltet anderledes10. I mest offentliggjorte undersøgelser, den gennemsnitlige nuværende intensitet er mellem 0,10 til 2.0 mA og 0,1 mA til 0,8 mA for mennesker og mus, henholdsvis6,11. Selvom elektrode størrelse 35 cm2 bruges typisk i mennesker, der er ingen ordentlig forståelse vedrørende elektrode dimensioner for gnavere og en mere grundig undersøgelse er nødvendige6.
TDC’er er blevet foreslået i kliniske studier med forsøg på at tilbyde en alternativ eller komplementær behandling for flere neurologiske og neuropsykiatriske lidelser11 såsom epilepsi12, bipolar lidelse13, slagtilfælde5 , store depression14, Alzheimers sygdom15, multipel sklerose16 og Parkinsons sygdom17. Trods en voksende interesse for TDC’er og dets anvendelse i kliniske forsøg, detaljerede cellulære og molekylære evoked forandringer i hjernevævet, kort og langvarige effekter samt adfærdsmæssige resultater, er endnu for at være mere dybt undersøgt18, 19. da en direkte menneskelig tilgang til grundigt studere TDC’er ikke er levedygtige, brugen af en TDC’er dyremodel kan tilbyde værdifuld indsigt i de cellulære og molekylære begivenheder underliggende de terapeutiske mekanismer af TDC’er på grund af tilgængelighed til den dyrets hjernevæv.
Foreliggende dokumentation er begrænset med hensyn til TDC’er modeller i mus. De fleste af de rapporterede modeller anvendes forskellige implanterer layouts, elektrode dimensioner og materialer. For eksempel, Winkler et al. (2017) implanteret i hovedet elektrode (Ag/AgCl, 4 mm i diameter) fyldt med saltvand og nagelfast sig til kraniet med akryl cement og skruer20. Forskellige fra vores tilgang, deres bryst elektrode blev implanteret (platinum, 20 x 1,5 mm). Nasehi et al. (2017) anvendes en procedure, der er meget lig vores, selvom thorax elektroden blev foretaget fra en saltvand-gennemblødt svamp (kulstof fyldt, 9,5 cm2)21. En anden undersøgelse indopereret to elektroder ind i dyrets hoved, der blev opnået ved hjælp af faste plader og dækker dyrets hoved med en hydrogel dirigent22. Her, beskriver vi en TDC’er musemodel, der bruger en kronisk indopereret elektrode gennem simple kirurgiske procedurer og TDC’er setup (figur 1).
Protocol
Representative Results
Discussion
I de seneste år, har neurostimulation teknikker ind klinisk praksis som en lovende procedure til behandling af neuropsykiatriske lidelser23. For at reducere den begrænsning pålagt af manglende kendskab til mekanismerne i neurostimulation, præsenteres vi her en TDC’er musemodel transporterer en elektrode, der kan målrette områder af hjernen. Da elektroden er kronisk implantable, denne dyremodel giver mulighed for undersøgelse af langvarig biologiske virkninger fremkaldt af TDC’er (i mindst 1…
Divulgazioni
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Vi vil gerne takke Mr. Rodrigo de Souza for assistance opretholde mus kolonier. L.A.V.M er en KAPPER postdoc stipendiat. Dette arbejde blev støttet af tilskud PRONEX (FAPEMIG: APQ-00476-14).
Materials
| BD Ultra-Fine 50U Syringe | BD | 10033430026 | For intraperitonially injection. |
| Shaver (Philips Multigroom) | Philips (Brazil) | QG3340/16 | For surgical site trimming. |
| Surgical Equipment | |||
| Model 940 Small Animal Stereotaxic Instrument with Digital Display Console | KOPF | 940 | For animal surgical restriction and positioning. |
| Model 922 Non-Rupture 60 Degree Tip Ear Bars | KOPF | 922 | For animal surgical restriction and positioning. |
| Cannula Holder | KOPF | 1766-AP | For implant positioning. |
| Precision Stereo Zoom Binocular Microscope (III) on Boom Stand | WPI | PZMIII-BS | For bregma localization and implant positioning. |
| Temperature Control System Model | KOPF | TCAT-2LV | For animal thermal control. |
| Cold Light Source | WPI | WA-12633 | For focal brightness |
| Tabletop Laboratory Animal Anesthesia System with Scavenging | VetEquip | 901820 | For isoflurane delivery and safety. |
| VaporGuard Activated Charcoal Adsorption Filter | VetEquip | 931401 | Delivery system safety measures. |
| Model 923-B Mouse Gas Anesthesia Head Holder | KOPF | 923-B | For animal restriction and O2 and isoflurane delivery. |
| Oxygen regulator, E-cylinder | VetEquip | 901305 | For O2 regulation and delivery. |
| Oxygen hose – green | VetEquip | 931503 | For O2 and isoflurane delivery. |
| Infrared Sterilizer 800 ºC | Marconi | MA1201 | For instrument sterilization. |
| Surgical Instruments | |||
| Fine Scissors – ToughCut | Fine Science Tools | 14058-11 | For incision. |
| Surgical Hooks | INJEX | 1636 | In House Fabricated – Used to clear the surgical site from skin and fur. |
| Standard Tweezers or Forceps | – | – | For skin grasping. |
| Surgical Consumables | |||
| Vetbond | 3M | SC-361931 | For incision closing. |
| Cement and Catalyzer KIT (Duralay) | Reliance | 2OZ | For implant fixation. |
| Sterile Cotton Swabs (Autoclaved) | JnJ | 75U | For surgical site antisepsis. |
| 24 Well Plate (Tissue Culture Plate) | SARSTEDT | 831,836 | For cement preparation. |
| Application Brush | parkell | S286 | For cement mixing and application. |
| Pharmaceutics | |||
| Xylazin (ANASEDAN 2%) | Ceva Pharmaceutical (Brazil) | P10160 | For anesthesia induction. |
| Ketamine (DOPALEN 10%) | Ceva Pharmaceutical (Brazil) | P30101 | For anesthesia induction. |
| Isoflurane (100%) | Cristália (Brazil) | 100ML | For anesthesia maintenance. |
| Lidocaine (XYLESTESIN 5%) | Cristal Pharma | – | For post-surgical care. |
| Ketoprofen (PROFENID 100 mg) | Sanofi Aventis | 20ML | For post-surgical care. |
| Ringer's Lactate Solution | SANOBIOL LAB | ############ | For post-surgical care. |
| TobraDex (Dexamethasone 1 mg/g) | Alcon | 631 | For eye lubrification and protection. |
| Stimulation | |||
| Animal Transcranial Stimulator | Soterix Medical | 2100 | For current generation. |
| Pin-type electrode Holder (Cylindrical Holder Base) | Soterix Medical | 2100 | Electrode support (Implant). |
| Pin-type electrode (Ag/AgCl) | Soterix Medical | 2100 | For current delivery (electrode). |
| Pin-type electrode cap | Soterix Medical | 2100 | For implant protection. |
| Body Electrode (Ag/AgCl Coated) | Soterix Medical | 2100 | For current delivery (electrode). |
| Saline Solution (0.9%) | FarmaX | ############ | Conducting medium for current delivery. |
| Standard Tweezers or Forceps | – | – | For tDCS setup. |
| Real Time Polymerase Chain Reaction | |||
| BioRad CFX96 Real Time System | BioRad | C1000 | For qPCR |
| SsoAdvancedTM Universal SYBR Green Supermix (5 X 1mL) | BioRad | 1725271 | For qPCR |
| Hard Shell PCR Plates PCT COM 50 p/ CFX96 | BioRad | HSP9601 | For qPCR |
| Microseal "B" seal pct c/ 100 | BioRad | MSB1001 | For qPCR |
Riferimenti
- Filmer, H. L., Dux, P. E., Mattingley, J. B. Applications of transcranial direct current stimulation for understanding brain function. Trends in Neurosciences. 37 (12), 742-753 (2014).
- Nitsche, M. A., Paulus, W. Sustained excitability elevations induced by transcranial DC motor cortex stimulation in humans. Neurology. 57 (10), 1899-1901 (2001).
- Kronberg, G., Bridi, M., Abel, T., Bikson, M., Parra, L. C. Direct Current Stimulation Modulates LTP and LTD: Activity Dependence and Dendritic Effects. Brain Stimulation. 10 (1), 51-58 (2017).
- Pelletier, S. J., Cicchetti, F. Cellular and Molecular Mechanisms of Action of Transcranial Direct Current Stimulation: Evidence from In Vitro and In Vivo Models. International Journal of Neuropsychopharmacology. 18 (2), pyu047 (2015).
- Chang, M. C., Kim, D. Y., Park, D. H. Enhancement of cortical excitability and lower limb motor function in patients with stroke by transcranial direct current stimulation. Brain Stimulation. 8 (3), 561-566 (2015).
- Lefaucheur, J. P., et al. Evidence-based guidelines on the therapeutic use of transcranial direct current stimulation (tDCS). Clinical Neurophysiology. 128 (1), 56-92 (2017).
- Monai, H., et al. Calcium imaging reveals glial involvement in transcranial direct current stimulation-induced plasticity in mouse brain. Nature Communications. 7, 11100 (2016).
- Marquez-Ruiz, J., et al. Transcranial direct-current stimulation modulates synaptic mechanisms involved in associative learning in behaving rabbits. Proc. Natl. Acad. Sci. 109, 6710-6715 (2012).
- Jackson, M. P., et al. Animal models of transcranial direct current stimulation: Methods and mechanisms. Clinical Neurophysiology. 127 (11), 3425-3454 (2016).
- Cambiaghi, M., et al. Brain transcranial direct current stimulation modulates motor excitability in mice. The European journal of neuroscience. 31 (4), 704-709 (2010).
- Monte-Silva, K., et al. Induction of late LTP-like plasticity in the human motor cortex by repeated non-invasive brain stimulation. Brain Stimulation. 6 (3), 424-432 (2013).
- San-Juan, D., et al. Transcranial Direct Current Stimulation in Mesial Temporal Lobe Epilepsy and Hippocampal Sclerosis. Brain Stimulation. 10 (1), 28-35 (2017).
- Brunoni, A. R., et al. Transcranial direct current stimulation (tDCS) in unipolar vs. bipolar depressive disorder. Progress in Neuro-Psychopharmacology and Biological Psychiatry. 35 (1), 96-101 (2011).
- Brunoni, A. R., et al. Trial of Electrical Direct-Current Therapy versus Escitalopram for Depression. New England Journal of Medicine. 376 (26), 2523-2533 (2017).
- Boggio, P. S., et al. Prolonged visual memory enhancement after direct current stimulation in Alzheimer’s disease. Brain Stimulation. 5 (3), 223-230 (2012).
- Cosentino, G., et al. Anodal tDCS of the swallowing motor cortex for treatment of dysphagia in multiple sclerosis: a pilot open-label study. Neurological Sciences. , 7-9 (2018).
- Kaski, D., Dominguez, R. O., Allum, J. H., Islam, A. F., Bronstein, A. M. Combining physical training with transcranial direct current stimulation to improve gait in Parkinson’s disease: A pilot randomized controlled study. Clinical Rehabilitation. 28 (11), 1115-1124 (2014).
- Monai, H., et al. Calcium imaging reveals glial involvement in transcranial direct current stimulation-induced plasticity in mouse brain. Nature Communications. 7, 11100 (2016).
- Fritsch, B., et al. Direct current stimulation promotes BDNF-dependent synaptic plasticity: potential implications for motor learning. Neuron. 66 (2), 198-204 (2010).
- Winkler, C., et al. Sensory and Motor Systems Anodal Transcranial Direct Current Stimulation Enhances Survival and Integration of Dopaminergic Cell Transplants in a Rat Parkinson Model. New Research. 4 (5), 17-63 (2017).
- Nasehi, M., Khani-Abyaneh, M., Ebrahimi-Ghiri, M., Zarrindast, M. R. The effect of left frontal transcranial direct-current stimulation on propranolol-induced fear memory acquisition and consolidation deficits. Behavioural Brain Research. 331 (May), 76-83 (2017).
- Souza, A., et al. Neurobiological mechanisms of antiallodynic effect of transcranial direct current stimulation (tDCS) in a mice model of neuropathic pain. Brain Research. 1682 (14-23), (2018).
- Woods, A. J., et al. A technical guide to tDCS, and related non-invasive brain stimulation tools. Clinical Neurophysiology. 127 (2), 1031-1048 (2016).
- Cogan, S. F., et al. Tissue damage thresholds during therapeutic electrical stimulation. Journal of Neural Engineering. 13, 2 (2017).
- Podda, M. V., et al. Anodal transcranial direct current stimulation boosts synaptic plasticity and memory in mice via epigenetic regulation of Bdnf expression. Scientific reports. 6 (October 2015), 22180 (2015).
