Transcraniële elektrische hersenstimulatie bij Alert knaagdieren
Summary
Dit protocol beschrijft een chirurgische set-up voor een permanente epicranial-elektrode-aansluiting en een geïmplanteerde borst-elektrode in knaagdieren. Door het plaatsen van een tweede elektrode in het stopcontact, kunnen verschillende soorten elektrische hersenstimulatie transcranial worden afgeleverd bij het locomotorisch stelsel in alert dieren via de intacte schedel.
Abstract
Transcraniële elektrische hersenstimulatie kunt moduleren corticale prikkelbaarheid en plasticiteit in mens en knaagdieren. De meest voorkomende vorm van stimulatie bij de mens is Transcraniële gelijkstroom stimulatie (TDC’s). Transcraniële wisselstroom stimulatie (TAC’s) of Transcraniële willekeurige ruis stimulatie (tRNS), een specifieke vorm van TAC’s met behulp van een elektrische stroom willekeurig toegepast binnen een vooraf gedefinieerde frequentiebereik, wordt minder vaak gebruikt. De toename van noninvasive elektrische stimulatie hersenonderzoek in mensen, zowel voor experimentele en klinische doeleinden, heeft een toegenomen behoefte aan fundamentele, mechanistische, veiligheidsstudies bij dieren opgeleverd. Dit artikel beschrijft een model voor transcraniale elektrische hersenstimulatie (tES) via de intacte schedel richt het locomotorisch stelsel in alert knaagdieren. Het protocol bevat stapsgewijze instructies voor de chirurgische set-up voor een permanente epicranial elektrode socket gecombineerd met een teller van de geïmplanteerde elektrode op de borst. Door het plaatsen van een elektrode stimulatie in de epicranial contactdoos, kunnen verschillende elektrische stimulatie typen, vergelijkbaar met de TDC’s, TAC’s en tRNS bij de mens, worden geleverd. Bovendien, de praktische stappen voor tES in alert knaagdieren worden ingevoerd. De toegepaste stroomdichtheid, duur van de stimulatie en stimulatie type kunnen worden gekozen afhankelijk van de experimentele behoeften. De waarschuwingen-, voor- en nadelen van deze set-up worden besproken, evenals veiligheid en verdraagbaarheid aspecten.
Introduction
De transcranial administratie van elektrische stromen naar de hersenen (tES) heeft gebruikt voor decennia te bestuderen van de hersenfunctie en gedrag wijzigen. Meer recentelijk, toe te passen direct stromingen, of minder frequent wisselstroom stromingen (TAC’s en tRNS), noninvasively door de intact schedel door gebruik van twee of meer elektroden (anode(s) en cathode(s)) heeft opgedaan wetenschappelijke en klinische belang. In het bijzonder, TDC’s is gebruikt in meer dan 33.200 sessies in gezonde proefpersonen en in patiënten met neuropsychiatrische ziekten en is naar voren gekomen als een veilig en gemakkelijk, kosteneffectief bed toepassing, met mogelijke therapeutische mogelijkheden, evenals de langdurige gedragsmatige gevolgen1. Dit leverde duidelijk de toegenomen behoefte en wetenschappelijke belangstelling voor mechanistische studies, met inbegrip van veiligheidsaspecten. Dit artikel richt zich op de meest gebruikte vorm van stimulatie, TDC’s.
Over soorten moduleert TDC’s corticale prikkelbaarheid en synaptische plasticiteit. Prikkelbaarheid wijzigingen hebben gemeld als polariteit-afhankelijke wijziging van spontane neuronale vuren tarief in ratten en katten2,3,4, of als wijzigingen in de motor evoked potentiële (MEP) amplitudes in mensen en muizen ( beide verhoogd na anodal en verminderde na cathodal TDC’s: menselijke5,6; muis7). Anodal DCS verhoogd synaptic werkzaamheid van motor corticale of hippocampal synapses in vitro voor enkele uren na stimulatie of lange termijn potentiëring (LTP), wanneer toegepast samen met een specifieke zwakke synaptic inbreng of wanneer gegeven ten overstaan van een plasticiteit inducerende stimulatie8,9,10,11,12. In overeenstemming met, de voordelen van stimulatie op motor of cognitieve training succes zijn vaak bleek alleen als TDC’s mede toegepast is met de opleiding van8,13,14,15. Terwijl deze eerdere bevindingen vooral aan functies van neuronen toegeschreven zijn, opgemerkt moet worden dat de non-neuronale cellen (glia) ook tot functionele gevolgen van TDC’s bijdragen kunnen. Bijvoorbeeld, astrocytic, intracellulaire calciumgehalte verhoogd tijdens anodal TDC’s in alert muizen16. Anodal TDC’s op huidige dichtheden onder de drempel voor neurodegeneratie veroorzaakte ook een dosis afhankelijke activering van microglia17. De modulatie van neuron-glia interactie door TDC’s moet echter verder specifiek onderzoek.
Genomen samen, dierlijke onderzoek geavanceerde duidelijk ons begrip van de f effect van TDC’s op prikkelbaarheid en plasticiteit. Er is echter een “inverse translationeel kloof” observabele in de exponentiële toename van de publicaties van menselijke TDC’s studies in tegenstelling tot het traag en de kleine stijging van de onderzoeken van de onderliggende mechanismen van tES in in vitro pt in vivo diermodellen. Daarnaast knaagdier tES modellen zijn uitgevoerd met hoge variabiliteit over onderzoekslaboratoria (variërend van transdermale aan epicranial stimulatie) en gerapporteerde stimulatie procedures zijn vaak niet volledig transparant belemmeren de vergelijkbaarheid en dupliceerbaarheid van fundamenteel onderzoeksgegevens, alsmede de interpretatie van de resultaten.
Hier beschrijven we in detail de chirurgische uitvoering van een transcraniale hersenen stimulatie set-up gericht op de primaire motorische cortex, die kunt vertalen naar de menselijke TDC’s conditie terwijl het minimaliseren van de variabiliteit en herhaaldelijke stimulatie zonder gedrag te belemmeren. Een stapsgewijze protocol voor latere tES bij alert ratten wordt geleverd. Methodologische en conceptuele aspecten van veilige toepassing van tES in alert knaagdieren worden besproken.
Protocol
Representative Results
Discussion
Dit protocol beschrijft typische materialen en procedurele stappen voor chirurgische realisatie van een permanente tES set-up, alsmede voor de verdere stimulatie in alert knaagdieren. Tijdens de voorbereiding van een knaagdier tES experimenteren, verschillende methodologische aspecten (veiligheid en verdraagbaarheid van tES, resultaat parameter) evenals conceptuele aspecten (vergelijkbaarheid met menselijke conditie, verwachte effecten van stimulatie op een bepaalde hersenen regio) moet rekening worden gehouden. Vanuit e…
Declarações
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Dit werk werd gesteund door de Duitse Research Foundation (DFG RE 2740/3-1). Wij bedanken Frank Huethe en Thomas Günther voor de in-house-productie van de op maat gemaakte tES set-up en 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 |
Referências
- 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).
