Microelectrodos guiada implantación de electrodos en el Subtalámico Núcleo de ratas de largo plazo estimulación cerebral profunda
Summary
A method for implanting electrodes into the subthalamic nucleus (STN) of rats is described. Better localization of the STN was achieved by using a microrecording system. Furthermore, a stimulation set-up is presented that is characterized by long-lasting connections between the head of the animal and the stimulator.
Abstract
La estimulación cerebral profunda (DBS) es una terapia ampliamente utilizado y efectivo para varios trastornos neurológicos, como la enfermedad, la distonía o temblor de Parkinson idiopática. DBS se basa en el suministro de estímulos eléctricos a lo profundo estructuras anatómicas específicas del sistema nervioso central. Sin embargo, los mecanismos subyacentes el efecto de DBS siguen siendo enigmática. Esto ha dado lugar a un interés en investigar el impacto de DBS en modelos animales, especialmente en las ratas. Como DBS es un tratamiento a largo plazo, la investigación debe centrarse en los cambios moleculares genéticos de los circuitos neuronales que se producen varias semanas después de DBS. A largo plazo DBS en ratas es un reto porque las ratas se mueven alrededor de su jaula, lo que causa problemas en mantener en su lugar el cable que va desde la cabeza del animal al estimulador. Además, las estructuras diana para la estimulación en el cerebro de rata son pequeñas y por lo tanto los electrodos no pueden ser fácilmente colocados en la posición requerida. Así, una puesta a punto para larga duración STIMULAción de ratas utilizando electrodos de platino / iridio con una impedancia de aproximadamente 1 MW fue desarrollado para este estudio. Un electrodo con estas especificaciones permite no sólo la estimulación adecuada, sino también la grabación de las estructuras cerebrales profundos para identificar el área objetivo para DBS. En nuestra puesta a punto, un electrodo con un enchufe para el cable se ha incrustado en el cemento dental con cuatro tornillos de anclaje garantizados en el cráneo. El cable desde el enchufe para el estimulador estaba protegido por un resorte de acero inoxidable. A giratoria se conecta al circuito para evitar que el alambre se enrede. En general, esta estimulación configuración ofrece un alto grado de movilidad libre para la rata y permite que el tapón de cabeza, así como la conexión del cable entre el enchufe y el estimulador, para retener la fuerza de larga duración.
Introduction
La estimulación cerebral profunda (DBS) es un tratamiento basado en la entrega de los impulsos eléctricos a través de electrodos implantados en las estructuras cerebrales específicas, tales como el globo pálido interno globus 1, el núcleo subtalámico (STN) 2-4 o el tálamo ventral intermedio 5. En las dos últimas décadas, este tratamiento se ha establecido como una herramienta terapéutica potente para la enfermedad de Parkinson 1 – 4, distonía 6 y el temblor 7, y también se utiliza para modular el dolor crónico 7, trastornos psiquiátricos (por ejemplo, trastorno obsesivo-compulsivo 8, depresión mayor 9) o epilepsia intratable 10,11. Además, DBS podría, en un futuro, convertirse en una opción de tratamiento para la hipertensión arterial refractaria 12 o hipotensión ortostática 13.
Los mecanismos fisiológicos que subyacen a los efectosde DBS siguen siendo poco conocidos. Los estudios realizados en roedores anestesiados han proporcionado información sobre las respuestas neuronales a la estimulación de alta frecuencia que imitan clínicamente aplica DBS 14. Sin embargo, estos estudios no sólo carecen de corroboración del comportamiento del efecto DBS, pero también dan lugar a una considerable variabilidad en función de los parámetros de estimulación aplicada 14.
Para investigar más concisa los efectos conductuales y mecanismos subyacentes de DBS en roedores conscientes, se necesita una estimulación configuración que cumple con los requisitos específicos. DBS se utiliza principalmente como un tratamiento a largo plazo (por ejemplo, enfermedad de Parkinson, el dolor crónico). Por lo tanto, la estimulación configuración en roedores debe ser diseñado de modo que la unidad consta de un electrodo con un enchufe, así como un cable desde el enchufe a un estimulador externo; y esta unidad debe ser ligero pero irrompible cuando se fija en el cráneo. Por otra parte, la libertad de movimiento es indispensable para ratas durante STIMULAción durante un período prolongado. Las estructuras diana de DBS son pequeñas; Por ejemplo, el STN en ratas tiene una longitud de 1,2 mm y un volumen de 0,8 mm 3,15. Por lo tanto, los electrodos deben estar diseñados de tal manera que el núcleo no está lesionada durante la inserción y la orientación necesidades para ser precisos. Como la mayoría de los estudios llevados a cabo en roedores DBS han utilizado señal basada en la inserción estereotáxica del electrodo a la estructura de destino, la tasa de error puede ser relativamente alta, incluso cuando se utilizan las coordenadas de acuerdo con Paxinos y Watson 16. Esto se traduce en un mayor número de animales necesarios para llegar a un resultado estadísticamente significativo.
En el presente estudio se introduce una técnica de implantación de electrodos, que se dirige a la STN con gran precisión mediante el uso de un sistema microrregistro mientras se avanza en el electrodo. Además, un sistema de estimulación se presenta que no sólo permite un alto grado de movilidad para el animal estimulado pero también garantiza stimulati continuaen medio de una fijación segura del cable de estimulación (que está protegida por un resorte de acero inoxidable) en la cabeza de la rata.
Protocol
Representative Results
Discussion
Este estudio presenta un conjunto paso a paso las instrucciones para la implantación de un electrodo monopolar crónica en el STN de ratas. Aunque electrodos de tungsteno con baja impedancia se utilizan a menudo para DBS 18,19, un electrodo monopolar de platino / iridio (Pt / Ir) fue empleado que tenía una impedancia de aproximadamente 1 MW. Electrodos de Pt / Ir también se utilizan en pacientes con la enfermedad de Parkinson debido a sus propiedades favorables: demuestran la erosión mínima 20…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
We wish to thank Mr Wabbel for preparing the wires and Mr Tietsch for constructing the plugs and cages according to our plans. This work was supported by the Deutsche Forschungsgemeinschaft (Sonderforschungsbereich 688). Felix Fluri holds a fellowship of the Interdisziplinäre Zentrum für Klinische Forschung (IZKF), University Clinics Würzburg, Germany.
Materials
| Pt/Ir electrode | FHC Inc. | UE | Custom-made: Specification: UEPSEGSECN1M |
| Plugs | GT Labortechnik (Arnstein/Germany) | Custom-made | |
| Pin header | DISTRELEC | 143-95-324 | single-row, 90° 1×3 datamate, Type M80-8420342 |
| Socket | DISTRELEC | 143-95-621 | single-row,straight 2 mm pole no.1×3 datamate, Type M80-8400342 |
| Stainless steel spring | Plastics ONE | SS0102 | Part-#: .120 X .156 Spring ID (mm): 3.0 Spring OD (mm): 4.0 |
| Dental cement/Paladur | Heraeus Kulzer | 64707938 | Liquid, 500 ml |
| Dental cement/Paladur | Heraeus Kulzer | 64707954 | Powder, rose, 500g |
| Head screw | Hummer & Reiss | V2ADIN84 M1.6×3 | |
| Jodosept PVP | Vetoquinol | 435678/E04 | |
| Mepivacain 1% | AstraZeneca | PZN03338515 | |
| Epinephrine | Sanofi-Aventis | PZN00176118 | |
| Tramadolhydrochloride | Rotexmedica | 38449.00.00 |
References
- Kumar, R., Lang, A. E., et al. Deep brain stimulation of the globus pallidus pars interna in advanced Parkinson’s disease. Neurology. 55 (12 Suppl 6), S34-S39 (2000).
- Volkmann, J., Allert, N., Voges, J., Weiss, P. H., Freund, H. -. J., Sturm, V. Safety and efficacy of pallidal or subthalamic nucleus stimulation in advanced PD. Neurology. 56 (4), 548-551 (2001).
- Volkmann, J., Allert, N., Voges, J., Sturm, V., Schnitzler, A., Freund, H. -. J. Long-term results of bilateral pallidal stimulation in Parkinson’s disease. Annals of Neurology. 55 (6), 871-875 (2004).
- Odekerken, V. J., van Laar, T., et al. Subthalamic nucleus versus globus pallidus bilateral deep brain stimulation for advanced Parkinson’s disease (NSTAPS study): a randomised controlled trial. The Lancet Neurology. 12 (1), 37-44 (2013).
- Benabid, A. L., Pollak, P., et al. Long-term suppression of tremor by chronic stimulation of the ventral intermediate thalamic nucleus. The Lancet. 337 (8738), 403-406 (1991).
- Volkmann, J., Wolters, A., et al. Pallidal deep brain stimulation in patients with primary generalised or segmental dystonia: 5-year follow-up of a randomised trial. The Lancet Neurology. 11 (12), 1029-1038 (2012).
- Nguyen, J. -. P., Nizard, J., Keravel, Y., Lefaucheur, J. -. P. Invasive brain stimulation for the treatment of neuropathic pain. Nature Reviews Neurology. 7 (12), 699-709 (2011).
- Kohl, S., Schönherr, D. M., et al. Deep brain stimulation for treatment-refractory obsessive compulsive disorder: a systematic review. BMC psychiatry. 14, 214 (2014).
- Schlaepfer, T. E., Bewernick, B. H., Kayser, S., Mädler, B., Coenen, V. A. Rapid Effects of Deep Brain Stimulation for Treatment-Resistant Major Depression. Biological Psychiatry. 73 (12), 1204-1212 (2013).
- Fisher, R., Salanova, V., et al. Electrical stimulation of the anterior nucleus of thalamus for treatment of refractory epilepsy. Epilepsia. 51 (5), 899-908 (2010).
- DeGiorgio, C., Heck, C., et al. Vagus nerve stimulation for epilepsy: Randomized comparison of three stimulation paradigms. Neurology. 65 (2), 317-319 (2005).
- Callaghan, E. L., McBryde, F. D., et al. Deep Brain Stimulation for the Treatment of Resistant Hypertension. Current Hypertension Reports. 16 (11), 1-10 (2014).
- Green, A. L. M. R. C. S., Wang, S., Owen, S. L. F., Paterson, D. J. D. P., Stein, J. F. D., Aziz, T. Z. D. M. Controlling the Heart Via the Brain: A Potential New Therapy for Orthostatic Hypotension. [Miscellaneous Article]. Neurosurgery June 2006. 58 (6), 1176-1183 (2006).
- Chang, J. -. Y., Shi, L. -. H., Luo, F., Zhang, W. -. M., Woodward, D. J. Studies of the neural mechanisms of deep brain stimulation in rodent models of Parkinson’s disease. Neuroscience, & Biobehavioral Reviews. 32 (3), 352-366 (2008).
- Hardman, C. D., Henderson, J. M., Finkelstein, D. I., Horne, M. K., Paxinos, G., Halliday, G. M. Comparison of the basal ganglia in rats, marmosets, macaques, baboons, and humans: Volume and neuronal number for the output, internal relay, and striatal modulating nuclei. The Journal of Comparative Neurology. 445 (3), 238-255 (2002).
- Paxinos, G., Watson, C. H. . The rat brain in stereotaxic coordinates. , (2007).
- Dirnagl, U. Bench to bedside: the quest for quality in experimental stroke research. Journal of Cerebral Blood Flow, & Metabolism. 26 (12), 1465-1478 (2006).
- Maesawa, S., Kaneoke, Y., et al. Long-term stimulation of the subthalamic nucleus in hemiparkinsonian rats: neuroprotection of dopaminergic neurons. Journal of Neurosurgery. 100 (4), 679-687 (2004).
- Spieles-Engemann, A. L., Behbehani, M. M., et al. Stimulation of the rat subthalamic nucleus is neuroprotective following significant nigral dopamine neuron loss. Neurobiology of disease. 39 (1), 105-115 (2010).
- Agnew, W. F., Yuen, T. G. H., McCreery, D. B., Bullara, L. A. Histopathologic evaluation of prolonged intracortical electrical stimulation. Experimental Neurology. 92 (1), 162-185 (1986).
- Harnack, D., Winter, C., Meissner, W., Reum, T., Kupsch, A., Morgenstern, R. The effects of electrode material, charge density and stimulation duration on the safety of high-frequency stimulation of the subthalamic nucleus in rats. Journal of Neuroscience Methods. 138 (1-2), 207-216 (2004).
- Groothuis, J., Ramsey, N. F., Ramakers, G. M. J., van der Plasse, G. Physiological Challenges for Intracortical Electrodes. Brain Stimulation. 7 (1), 1-6 (2014).
- Li, Q., Ke, Y., et al. Therapeutic Deep Brain Stimulation in Parkinsonian Rats Directly Influences Motor Cortex. Neuron. 76 (5), 1030-1041 (2012).
