Stimolazione transcranica corrente continua (tDCS) in topi
Summary
La stimolazione transcranica corrente continua (tDCS) è una tecnica terapeutica proposta per il trattamento di malattie psichiatriche. Un modello animale è essenziale per comprendere le specifiche alterazioni biologiche evocate da TDC. Questo protocollo descrive un modello di topo tDCS che utilizza un elettrodo cronicamente impiantato.
Abstract
La stimolazione transcranica corrente continua (tDCS) è una tecnica non invasiva neuromodulazione proposta come un trattamento alternativo o complementare per parecchie malattie neuropsichiatriche. Gli effetti biologici di tDCS completamente non sono capiti, che in parte si spiega a causa della difficoltà nell’ottenere il tessuto cerebrale umano. Questo protocollo descrive un modello di topo tDCS che utilizza un elettrodo cronicamente impiantato permettendo lo studio degli effetti biologici di tDCS duraturo. In questo modello sperimentale, tDCS cambia l’espressione genica corticale e offre un importante contributo alla comprensione delle motivazioni per il suo uso terapeutico.
Introduction
La stimolazione transcranica corrente continua (tDCS) è una tecnica non invasiva, a basso costo, terapeutica, che si concentra sulla modulazione neuronale attraverso l’uso di correnti continue di bassa intensità1. Ci sono attualmente due configurazioni (anodica e cathodal) per tDCS. Mentre la stimolazione anodica esercita un campo elettrico corrente troppo debole per attivare i potenziali di azione, elettrofisiologia studi hanno dimostrato che questo metodo produce i cambiamenti nella plasticità sinaptica2. Ad esempio, prova indica che quel tDCS induce effetti di potenziamento (LTP) a lungo termine come aumentato picco di ampiezza dei potenziali postsinaptici eccitatori3,4 e la modulazione dell’eccitabilità corticale5.
Al contrario, cathodal stimolazione induce l’inibizione, conseguente membrana hyperpolarization6. Un’ipotesi per questo meccanismo si basa sui risultati fisiologici dove tDCS è descritto per modulare la frequenza del potenziale d’azione e durata in un neurone corpo3. In particolare, questo effetto non evocano direttamente i potenziali di azione, anche se può spostare la soglia di depolarizzazione e facilitare o ostacolare il firing neuronale7. Queste contrastanti effetti sono state dimostrate in precedenza. Per esempio, la stimolazione anodica e cathodal prodotto effetti opposti nelle risposte condizionate registrate tramite attività elettromiografica in conigli8. Tuttavia, gli studi hanno anche dimostrato che prolungata stimolazione anodica sessioni potrebbero diminuire eccitabilità, mentre l’aumento cathodal correnti può portare all’eccitabilità, presentando self-contrastanti effetti3.
Stimoli sia anodica e cathodal aggregano l’uso di coppie di elettrodi. Ad esempio, nella stimolazione anodica, “attivo” o “anodo” elettrodo viene posizionato sopra la regione del cervello per essere modulata considerando che l’elettrodo “riferimento” o “catodo” è situato in una regione dove l’effetto della corrente viene considerato insignificante9. Nella cathodal stimolazione, disposizione dell’elettrodo è invertito. L’intensità di stimolazione per tDCS efficace dipende l’intensità di corrente e dimensioni degli elettrodi, che interessano l’elettrico campo diversamente10. Negli studi pubblicati, l’intensità di corrente medio è tra 0,10 a 2.0 mA e 0,1 mA a 0,8 mA per umani e topi, rispettivamente6,11. Anche se la dimensione degli elettrodi di 35cm2 viene in genere utilizzata in esseri umani, non c’è alcuna comprensione corretta per quanto riguarda le dimensioni degli elettrodi per roditori e un’indagine più approfondita è necessaria6.
tDCS è stato proposto negli studi clinici con il tentativo di offrire un trattamento alternativo o complementare per parecchi disordini neurologici e neuropsichiatrici11 come epilessia12, disturbo bipolare13, colpo5 , major depressione14, morbo di Alzheimer15,16 di sclerosi multipla e morbo di Parkinson17. Nonostante la crescente interesse in tDCS e suo uso in studi clinici, cellular dettagliate e alterazioni molecolari evocate nel tessuto cerebrale, breve ed effetti di lunga durata, nonché i risultati comportamentali, sono ancora per essere più profondamente studiato18, 19. Poiché un approccio umano diretto a studiare accuratamente tDCS non è praticabile, l’uso di un modello animale di tDCS può offrire preziose intuizioni gli eventi cellulari e molecolari alla base i meccanismi terapeutici di tDCS a causa della accessibilità per la tessuto cerebrale dell’animale.
Prova disponibile è limitata per quanto riguarda modelli tDCS nei topi. La maggior parte dei modelli segnalati utilizzato diversi layout impiantare, dimensioni degli elettrodi e materiali. Per esempio, Winkler et al. (2017) impiantato la testa dell’elettrodo (Ag/AgCl, 4 mm di diametro) riempito con soluzione fisiologica e fissato al cranio con viti e cemento acrilico20. Diverso dal nostro approccio, loro l’elettrodo è stato impiantato (platino, 20 x 1,5 mm). Nasehi et al. (2017) ha utilizzato una procedura molto simile alla nostra, anche se l’elettrodo toracico è stata effettuata in una spugna imbevuta di soluzione fisiologica (carbonio riempito, 9,5 cm2)21. Un altro studio impiantati entrambi gli elettrodi nella testa dell’animale, che è stato raggiunto utilizzando piastre fisse e che coprono la testa dell’animale con un conduttore di idrogel22. Qui, descriviamo un modello murino di tDCS che utilizza un elettrodo cronicamente impiantato attraverso semplice installazione tDCS e procedure chirurgica (Figura 1).
Protocol
Representative Results
Discussion
Negli ultimi anni, tecniche di neurostimolazione sono stati introdotti pratica clinica come una procedura di promessa per il trattamento di disordini neuropsichiatrici23. Per ridurre il vincolo imposto dalla mancanza di conoscenza dei meccanismi della neurostimolazione, abbiamo presentato qui un modello di topo tDCS portando un elettrodo che può avere come bersaglio regioni del cervello. Poiché l’elettrodo è cronicamente impiantabile, questo modello animale consente l’indagine degli effetti bio…
Divulgazioni
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Ringraziamo il signor Rodrigo de Souza per assistenza nel mantenere colonie del mouse. L.A.V.M è un postdoctoral fellow CAPES. Questo lavoro è stato supportato dalla concessione 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).
