Transkranial elektriske Brain Stimulation i Alert gnavere
Summary
Denne protokol beskriver en kirurgisk set-up for en permanent epicranial elektrode socket, og en indopereret brystet elektrode i gnavere. Ved at placere en anden elektrode ind i stikket, kan forskellige typer af transkranial elektriske brain stimulation leveres til den motoriske system i alert dyr gennem intakt kraniet.
Abstract
Transkranial elektriske brain stimulation kan modulere kortikal ophidselse og plasticitet i mennesker og gnavere. Den mest almindelige form for stimulering i mennesker er transkranial jævnstrøm stimulation (TDC’er). Mindre hyppigt anvendes transkranial vekselstrøm stimulation (TAC) eller transkranial tilfældige støj stimulation (tRNS), en særlig form for TAC’er ved hjælp af en elektrisk strøm anvendes tilfældigt inden for en foruddefineret frekvensområde. Stigning på noninvasiv elektrisk stimulation hjerneforskning i mennesker, både for eksperimentel og klinisk formål, har givet et øget behov for grundlæggende, mekanistisk, sikkerhedsundersøgelser i dyr. Denne artikel beskriver en model for transkranial elektriske brain stimulation (tES) gennem intakt kraniet rettet mod det motoriske system i alert gnavere. Protokollen indeholder trinvise anvisninger for den kirurgiske set-up af en permanent epicranial elektrode socket kombineret med en indopereret counter elektrode på brystet. Ved at placere en stimulation elektrode bøsningen epicranial, kan forskellige elektrisk stimulation typer, sammenlignes med TDC’er, TAC’er og tRNS hos mennesker, leveres. Desuden, de praktiske skridt til tES i alert gnavere er indført. Anvendt strømtæthed, stimulation varighed og stimulation type kan vælges afhængigt af de eksperimentelle behov. Forbehold, fordele og ulemper ved dette set-up er diskuteret, samt sikkerheden og tolerabiliteten aspekter.
Introduction
Transkranial administration af elektriske strømme til hjernen (tES) har været anvendt i årtier, til at studere hjernefunktion og ændre adfærd. For nylig, anvende direkte strøm, eller mindre hyppigt skiftende strøm (TAC’er og tRNS), noninvasively gennem intakt kraniet ved brug af to eller flere elektroder (anode(s) og cathode(s)) har fået videnskabelige og kliniske interesse. Især TDC’er har været brugt i mere end 33,200 sessioner i raske forsøgspersoner og patienter med neuropsykiatriske sygdomme og er opstået som en sikker og let, omkostningseffektiv sengelamper ansøgning, med mulige terapeutiske potentiale samt langvarig adfærdsmæssige virkninger1. Dette gav klart øget behov og videnskabelig interesse i Mekanistiske undersøgelser, herunder sikkerhedsaspekterne. Denne artikel fokuserer på de mest almindeligt anvendte form for stimulering, TDC’er.
På tværs af arter modulerer TDC’er kortikal ophidselse og synaptisk plasticitet. Ophidselse ændringer er blevet rapporteret som polaritet-afhængige ændring af spontan neuronal fyring sats i rotter og katte2,3,4, eller ændringer i motor evoked potentielle (MEP) amplituder i mennesker og mus ( både øget efter anodal og nedsat efter cathodal TDC’er: menneskelige5,6; musen7). Anodal DCS forøget synaptisk effekten af motor kortikale eller hippocampus synapser i vitro i flere timer efter stimulation eller lang sigt potensering (LTP), hvornår samarbejde anvendes med en specifik svage synaptic input, eller når det gives før en plasticitet inducerende stimulation8,9,10,11,12. I overensstemmelse, er fordelene ved stimulation på motor eller kognitiv træning succes ofte afslørede kun hvis TDC’er anvendes sammen med uddannelse8,13,14,15. Mens disse tidligere resultater er hovedsagelig tilskrives funktioner af neuroner, skal det bemærkes, at ikke-neuronale celler (glia) kan også bidrage til funktionelle virkninger af TDC’er. For eksempel steg astrocytic intracellulære calcium niveauer i anodal TDC’er i alert mus16. Ligeledes induceret anodal TDC’er på strømtætheder tærsklen for neurodegeneration en dosis afhængige aktivering af mikroglia17. Graduering af neuron-glia interaktion af TDC’er skal dog yderligere særlige undersøgelser.
Taget sammen, animalsk forskning avanceret klart vores forståelse af TDC’er modulerende effekt på ophidselse og plasticitet. Der er dog en “inverse” translationel “hul” observerbare i den eksponentielle stigning i publikationer af menneskelige TDC’er undersøgelser i modsætning til den langsomme og mindre stigning i undersøgelser af de underliggende mekanismer af tES i in vitro- og in vivo dyremodeller. Derudover gnaver tES modeller er udført med høj variation på tværs af forskningslaboratorier (lige fra transdermal til epicranial stimulation), og rapporterede stimulation procedurer er ofte ikke helt gennemsigtige hindre sammenlignelighed og Replicability af grundlæggende forskningsdata samt fortolkning af resultater.
Her, beskriver vi i detaljer den kirurgiske gennemførelsen af en transkranial brain stimulation set-up rettet mod den primære motor cortex, som giver mulighed for oversættelse til den menneskelige TDC’er betingelse samtidig minimere variabilitet, og tillader gentagne stimulation uden hindrer adfærd. En trinvis protokol for efterfølgende tES i alert rotter er leveret. Metodologiske og begrebsmæssige aspekter af sikker anvendelse af tES i alert gnavere er drøftet.
Protocol
Representative Results
Discussion
Denne protokol beskriver typiske materialer og proceduremæssige skridt for kirurgisk realiseringen af et permanent tES set-up og efterfølgende stimulation i alert gnavere. Under forberedelse af en gnaver tES eksperimentere, flere metodologiske aspekter (sikkerheden og tolerabiliteten af tES, resultatet parameter) samt begrebsmæssige aspekter (sammenlignelighed med menneskelige tilstand, forventede effekter af stimulation på en bestemt hjerne regionen) skal tages i betragtning. Fra et metodologisk synspunkt er den kir…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Dette arbejde blev støttet af den tyske Forskningsfonds (DFG RE 2740/3-1). Vi takker Frank Huethe og Thomas Günther for egenproduktion af skræddersyede tES set-up og DC-stimulator.
Materials
| Softasept N | B. Braun Melsungen AG, Melsungen, Deutschland |
3887138 | antiseptic agent |
| Ethanol 70 % | Carl Roth GmbH & Co. KG, Karlsruhe, Deutschland | T913.1 | |
| arched tip forceps | FST Fine science tools, Heidelberg, Deutschland | 11071-10 | |
| Iris Forceps, 10cm, Straight, Serrated | World Precision Instruments, Inc, Sarasota, FL, USA, Inc, Sarasota, FL, USA | 15914 | |
| Scalpel Handle #3, 13cm | World Precision Instruments, Inc, Sarasota, FL, USA, Inc, Sarasota, FL, USA | 500236 | |
| Standard Scalpel Blade #10 | World Precision Instruments, Inc, Sarasota, FL, USA, Inc, Sarasota, FL, USA | 500239 | |
| Zelletten cellulose swabs | Lohmann und Rauscher, Neuwied, Deutschland | 13349 | 5 x 4 cm |
| Isoflurane | AbbVie Deutschland GmbH & Co | N01AB06 | |
| Iris Scissors, 11.5cm, Straight | World Precision Instruments, Inc, Sarasota, FL, USA, Inc, Sarasota, FL, USA | 501758 | small scissors |
| cotton swab/cotton buds | Carl Roth GmbH & Co. KG, Karlsruhe, Deutschland | EH12.1 | Rotilabo |
| Kelly Hemostatic Forceps, 14cm, Straight | World Precision Instruments, Inc, Sarasota, FL, USA, Inc, Sarasota, FL, USA | 501241 | surgical clamp |
| electrode plate (platinum) | custom made | Wissenschaftliche Werkstatt Neurozentrum Uniklinik Freiburg, Deutschland | 10×6 mm, 0.15 mm thickness |
| insulated copper strands (~1 mm diameter) | Reichelt elektronik GmbH & Co. KG, Sande, Germany | LITZE BL | electrode cable |
| Weller EC 2002 M soldering station | Weller Tools GmbH, Besigheim, Germany | EC2002M1D | |
| Iso-Core EL 0,5 mm | FELDER GMBH Löttechnik, Oberhausen, Deutschland | 20970510 | lead free solder |
| MERSILENE Polyester Fiber Suture | Johnson & Johnson Medical GmbH, Ethicon Deutschland, Norderstedt, Germany | R871H | nonabsorbable braided suture, 4-0 |
| Histoacryl | B. Braun Melsungen AG, Melsungen, Deutschland |
9381104 | cyanoacrylate |
| Ketamin 10% | Medistar GmbH, Germany | n/a | anesthetics |
| Rompun 2% (Xylazine) | Bayer GmbH, Germany | n/a | anesthetics |
References
- Bikson, M., et al. Safety of Transcranial Direct Current Stimulation: Evidence Based Update 2016. Brain Stimul. 9 (5), 641-661 (2016).
- Bindman, L. J., Lippold, O. C., Redfearn, J. W. The action of brief polarizing currents on the cerebral cortex of the rat (1) during current flow and (2) in the production of long-lasting after-effects. J Physiol. 172, 369-382 (1964).
- Gartside, I. B. Mechanisms of sustained increases of firing rate of neurones in the rat cerebral cortex after polarization: role of protein synthesis. Nature. 220 (5165), 382-383 (1968).
- Purpura, D. P., McMurtry, J. G. Intracellular activities and potential changes during polarization of motor cortex. Neurophysiol. 28 (1), 166-185 (1965).
- Nitsche, M., Paulus, W. Excitability changes induced in the human motor cortex by weak transcranial direct current stimulation. J Physiol. 527 (Pt 3), 633-639 (2000).
- Nitsche, M. A., Paulus, W. Sustained excitability elevations induced by transcranial DC motor cortex stimulation in humans. Neurology. 57 (10), 1899-1901 (2001).
- Cambiaghi, M., et al. Brain transcranial direct current stimulation modulates motor excitability in mice. Eur J Neuro. 31 (4), 704-709 (2010).
- Fritsch, B., et al. Direct current stimulation promotes BDNF-dependent synaptic plasticity: potential implications for motor learning. Neuron. 66 (2), 198-204 (2010).
- Ranieri, F., et al. Modulation of LTP at rat hippocampal CA3-CA1 synapses by direct current stimulation. J Neurophysiol. 107 (7), 1868-1880 (2012).
- Kronberg, G., Bridi, M., Abel, T., Bikson, M., Parra, L. C. Direct Current Stimulation Modulates LTP and LTD: Activity Dependence and Dendritic Effects. Brain Stimul. 10 (November), 51-58 (2016).
- Sun, Y., et al. Direct current stimulation induces mGluR5-dependent neocortical plasticity. Ann Neurol. 80 (2), 233-246 (2016).
- Podda, M. V., et al. Anodal transcranial direct current stimulation boosts synaptic plasticity and memory in mice via epigenetic regulation of Bdnf expression. Sci Rep. 6, 22180 (2016).
- Reis, J., Fritsch, B. Modulation of motor performance and motor learning by transcranial direct current stimulation. Curr opin Neurology. 24 (6), 590-596 (2011).
- Buch, E. R., et al. Effects of tDCS on motor learning and memory formation a consensus and critical position paper. Clin Neurophysiol. 128 (4), 589-603 (2017).
- Reis, J., Fischer, J. T., Prichard, G., Weiller, C., Cohen, L. G., Fritsch, B. Time- but not sleep-dependent consolidation of tDCS-enhanced visuomotor skills. Cerebral cortex. 25 (1), 109-117 (2015).
- Monai, H., et al. Calcium imaging reveals glial involvement in transcranial direct current stimulation-induced plasticity in mouse brain. Nature Comm. 7, 11100 (2016).
- Gellner, A. -. K., Reis, J., Fritsch, B. Glia: A Neglected Player in Non-invasive Direct Current Brain Stimulation. Front Cell Neurosci. 10, 188 (2016).
- Takano, Y., Yokawa, T., Masuda, A., Niimi, J., Tanaka, S., Hironaka, N. A rat model for measuring the effectiveness of transcranial direct current stimulation using fMRI. Neurosci Lett. 491 (1), 40-43 (2011).
- Islam, N., Moriwaki, A., Hattori, Y., Hori, Y. Anodal polarization induces protein kinase C gamma (PKC gamma)-like immunoreactivity in the rat cerebral cortex. Neurosci Res. 21, 169-172 (1994).
- Islam, N., Aftabuddin, M., Moriwaki, A., Hattori, Y., Hori, Y. Increase in the calcium level following anodal polarization in the rat brain. Brain Res. 684 (2), 206-208 (1995).
- Rohan, J. G., Carhuatanta, K. A., McInturf, S. M., Miklasevich, M. K., Jankord, R. Modulating Hippocampal Plasticity with In Vivo Brain Stimulation. J Neurosci. 35 (37), 12824-12832 (2015).
- Wachter, D., et al. Transcranial direct current stimulation induces polarity-specific changes of cortical blood perfusion in the rat. Exp Neurol. 227 (2), 322-327 (2011).
- Koo, H., et al. After-effects of anodal transcranial direct current stimulation on the excitability of the motor cortex in rats. Rest Neurol Neurosci. 34 (5), 859-868 (2016).
- Liebetanz, D., et al. After-effects of transcranial direct current stimulation (tDCS) on cortical spreading depression. Neurosci Lett. 398 (1-2), 85-90 (2006).
- Fregni, F., et al. Effects of transcranial direct current stimulation coupled with repetitive electrical stimulation on cortical spreading depression. Exp Neurol. 204 (1), 462-466 (2007).
- Cambiaghi, M., et al. Flash visual evoked potentials in mice can be modulated by transcranial direct current stimulation. Neurosci. 185, 161-165 (2011).
- Dockery, C. A., Liebetanz, D., Birbaumer, N., Malinowska, M., Wesierska, M. J. Cumulative benefits of frontal transcranial direct current stimulation on visuospatial working memory training and skill learning in rats. Neurobiol Learn Mem. 96 (3), 452-460 (2011).
- Faraji, J., Gomez-Palacio-Schjetnan, A., Luczak, A., Metz, G. A. Beyond the silence: Bilateral somatosensory stimulation enhances skilled movement quality and neural density in intact behaving rats. Behav Brain Res. 253, 78-89 (2013).
- Pikhovych, A., et al. Transcranial Direct Current Stimulation Modulates Neurogenesis and Microglia Activation in the Mouse Brain. Stem Cells In. , 1-10 (2016).
- Rueger, M. A., et al. Multi-session transcranial direct current stimulation (tDCS) elicits inflammatory and regenerative processes in the rat brain. PloS one. 7 (8), e43776 (2012).
- Liebetanz, D., Koch, R., Mayenfels, S., König, F., Paulus, W., Nitsche, M. A. Safety limits of cathodal transcranial direct current stimulation in rats. Clinical Neurophysiol. 120 (6), 1161-1167 (2009).
- Yoon, K. J., Oh, B. -. M., Kim, D. -. Y. Functional improvement and neuroplastic effects of anodal transcranial direct current stimulation (tDCS) delivered 1 day vs. 1 week after cerebral ischemia in rats. Brain Res. 1452, 61-72 (2012).
- Spezia Adachi, L. N., et al. Exogenously induced brain activation regulates neuronal activity by top-down modulation: conceptualized model for electrical brain stimulation. Exp Brain Res. 233 (5), 1377-1389 (2015).
- Jackson, M. P., et al. Safety parameter considerations of anodal transcranial Direct Current Stimulation in rats. Brain, behavior, and immunity. , (2017).
- Ordek, G., Groth, J. D., Sahin, M. Differential effects of ketamine/xylazine anesthesia on the cerebral and cerebellar cortical activities in the rat. J Neurophysiol. 109 (5), 1435-1443 (2013).
- Sykes, M., et al. Differences in Motor Evoked Potentials Induced in Rats by Transcranial Magnetic Stimulation under Two Separate Anesthetics: Implications for Plasticity Studies. Front Neural Circ. 10, 80 (2016).
- Zhang, D. X., Levy, W. B. Ketamine blocks the induction of LTP at the lateral entorhinal cortex-dentate gyrus synapses. Brain Res. 593 (1), 124-127 (1992).
