Transcranial Direct Current stimulering (TDC) hos möss
Summary
Transkraniell likström stimulering (TDC) är en terapeutisk teknik föreslås att behandling av psykiska sjukdomar. En djurmodell är viktigt för att förstå de specifika biologiska förändringar som frammanade av TDC. Det här protokollet beskriver en modell av TDC-mus som använder en kroniskt inopererade elektroden.
Abstract
Transkraniell likström stimulering (TDC) är en icke-invasiv neuromodulation teknik föreslås som ett alternativ eller kompletterande behandling av flera neuropsykiatriska sjukdomar. De biologiska effekterna av TDC är inte helt klarlagda, vilket delvis förklaras på grund av svårigheten att erhålla mänsklig hjärnvävnad. Det här protokollet beskriver en modell av TDC-mus som använder en kroniskt inopererade elektroden så att studiet av de långvariga biologiska effekterna av TDC. I denna experimentella modell, TDC ändras det kortikala genuttrycket och erbjuder en framstående bidrag till förståelsen av den logiska grunden för dess terapeutiska användning.
Introduction
Transcranial Direct Current stimulering (TDC) är en icke-invasiv, låg kostnad, terapeutisk teknik, som fokuserar på neuronal modulering med hjälp av låg intensitet kontinuerliga strömmar1. För närvarande finns det två uppställningar (anodal och katodal) för TDC. Medan anodal stimulering utövar en nuvarande elektriska fältet för svag för att utlösa handlingspänningar, har elektrofysiologi studier visat att denna metod ger förändringar i synaptisk plasticitet2. Bevis visar exempelvis att TDC inducerar långsiktig potentiering (LTP) effekter såsom ökad maximal amplitud av excitatoriska postsynaptiska potentialer3,4 och modulering av kortikala upphetsning5.
Omvänt inducerar katodal stimulering hämning, vilket resulterar i membran hyperpolarisering6. En hypotes för denna mekanism är baserad på de fysiologiska rön där TDC beskrivs för att modulera aktionspotential frekvens och varaktighet i neuronala kropp3. Framför allt, denna effekt inte direkt framkalla handlingspänningar, men det kan skifta tröskeln depolarisation och underlätta eller hindra neuronala bränning7. Dessa kontrasterande effekter har visats tidigare. Till exempel produceras anodal och katodal stimulering motsatta effekter i konditionerat svar registrerats via Elektromyografi aktivitet i kaniner8. Studier har emellertid också visat att långvarig anodal stimulering sessioner kan minskar retbarhet och öka katodal strömmar kan leda till retbarhet, presentera själv kontrasterande effekter3.
Både anodal och katodal stimuli aggregera användningen av elektroden par. Exempelvis i anodal stimulering, ”aktiv” eller ”anod” placeras elektroden över hjärnregionen till moduleras medan ”referens” eller ”katod” elektroden ligger över en region där effekten av nuvarande antas vara obetydlig9. I katodal stimulering, är elektrod disposition inverterad. Stimulering intensiteten för effektiv TDC beror på nuvarande intensiteten och elektroden dimensioner som påverkar elektriskt fältet annorlunda10. I mest publicerade studier, är den genomsnittliga strömstyrkan mellan 0,10 till 2,0 mA och 0,1 mA till 0.8 mA för människa och möss, respektive6,11. Även om elektroden storlek 35 cm2 används vanligtvis i människor, det finns ingen ordentlig förståelse om elektroden dimensioner för gnagare och en mer grundlig undersökning är behövs6.
TDC har föreslagits i kliniska studier med försök av erbjuder ett alternativ eller kompletterande behandling för flera neurologiska och neuropsykiatriska störningar11 såsom epilepsi12, bipolär sjukdom13, stroke5 , major depression14, Alzheimers sjukdom15, multipel skleros16 och Parkinsons sjukdom17. Trots växande intresse för TDC och dess användning i kliniska prövningar, detaljerad cellulära och molekylära evoked förändringar i hjärnvävnaden, kort och långvariga effekter, samt beteendemässiga utfall, är ännu för att vara mer djupt undersökte18, 19. eftersom en direkt mänskliga förhållningssätt att grundligt studera TDC inte är livskraftiga, användning av en TDC djurmodell kan erbjuda värdefulla insikter i de cellulära och molekylära händelser de terapeutiska mekanismer av TDC på grund av tillgängligheten till den djurets hjärnvävnad.
Tillgängliga bevis är begränsad när det gäller TDC modeller i möss. De flesta rapporterade modeller används olika implantera layouter, elektrod dimensioner och material. Till exempel Winkler o.a. (2017) implanteras huvud elektroden (Ag/Granulatfyllda, 4 mm i diameter) fylld med koksaltlösning och fixade det till kraniet med akryl cement och skruvar20. Skiljer sig från vår inställning, deras bröst elektrod var implanterade (platina, 20 x 1,5 mm). Nasehi et al. (2017) används ett förfarande som är mycket lik vår, även om bröstkorg elektroden gjordes från en saltlösning-indränkt svamp (kol fylld, 9,5 cm2)21. En annan studie implanteras båda elektroderna i djurets huvud, som uppnåddes genom att använda fasta plattor och täcker djurets huvud med en hydrogel ledare22. Här, beskriver vi en modell av TDC-mus som använder en kroniskt inopererade elektroden genom enkla kirurgiska förfaranden och TDC setup (figur 1).
Protocol
Representative Results
Discussion
Under de senaste åren, har neurostimulering tekniker in i klinisk praxis som en lovande förfarande att behandla neuropsykiatriska störningar23. För att minska den begränsning som införts av bristen på kunskap av neurostimulering mekanismer, presenterade vi här en musmodell för TDC som transporterar en elektrod som kan rikta hjärnregioner. Eftersom elektroden är kroniskt implanterbara, möjliggör denna djurmodell utredningen av långvariga biologiska effekter frammanade av TDC (för min…
Divulgazioni
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Vi tackar Mr Rodrigo de Souza för hjälp att upprätthålla mus kolonier. L.A.V.M är postdoktor uddar. Detta arbete stöds av bidraget 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).
