Transkranielle elektrische Hirnstimulation in Alert Nagetiere
Summary
Dieses Protokoll beschreibt eine chirurgische Einrichtung für eine permanente Epicranial Elektrode Steckdose und einer implantierten Brust-Elektrode bei Nagetieren. Durch die Platzierung einer zweiten Elektrode in die Steckdose, können verschiedene Arten von transkranielle elektrische Hirnstimulation auf das motorische System alert Tiere durch den intakten Schädel geliefert werden.
Abstract
Transkranielle elektrische Hirnstimulation kann kortikale Erregbarkeit und Plastizität bei Menschen und Nagern modulieren. Die häufigste Form der Stimulation beim Menschen ist die transkranielle Gleichstrom Stimulation (tDCS). Weniger häufig wird Transcranial Wechselstrom Anregung (TAC) oder Transcranial Zufallsrauschen Anregung (tRNS), eine spezifische Form der TAC mit elektrischem Strom zufällig in einem vorgegebenen Frequenzbereich eingesetzt. Die Zunahme der nicht-invasive elektrische Stimulation Hirnforschung beim Menschen, sowohl für experimentelle und klinische Zwecke, hat einen erhöhten Bedarf an grundlegenden, mechanistischen, Sicherheitsstudien an Tieren erbracht. Dieser Artikel beschreibt ein Modell für die transkranielle elektrische Hirnstimulation (tES) durch den intakten Schädel Ausrichtung auf das motorische System in alert Nagetiere. Das Protokoll enthält detaillierte Anweisungen für die chirurgische Einrichtung eines ständigen Epicranial Elektrode Sockets in Kombination mit einem implantierten Gegenelektrode auf der Brust. Durch die Platzierung einer Stimulationselektrode in die Epicranial-Buchse, können verschiedene elektrische Stimulation Typen, vergleichbar mit tDCS, TAC und tRNS beim Menschen geliefert werden. Darüber hinaus werden die praktischen Schritte für tES in alert Nagetiere eingeführt. Die angewandte Stromdichte, Stimulation Dauer und Art der Stimulation können abhängig von den experimentellen Anforderungen gewählt werden. Die Vorbehalte, vor- und Nachteile dieses Aufbaus werden, sowie Sicherheit und Verträglichkeit Aspekte besprochen.
Introduction
Die transkranielle Verwaltung der elektrischen Ströme im Gehirn (tES) hat seit Jahrzehnten, Gehirnfunktion zu studieren und um Verhalten zu ändern verwendet worden. Seit kurzem auch die Anwendung direkter Strömungen oder seltener Wechselströme (TAC und tRNS), nicht-invasiv durch den intakten Schädel durch den Einsatz von zwei oder mehr Elektroden (Anode(s) und cathode(s)) wissenschaftliche und klinische Interesse gewonnen hat. Insbesondere tDCS wurde in mehr als 33.200 Sitzungen bei gesunden Probanden und Patienten mit neuropsychiatrischen Erkrankungen eingesetzt und entstanden als eine sichere und einfache, kostengünstige am Krankenbett Anwendung mit möglichen therapeutischen Möglichkeiten sowie langlebige Auswirkungen auf das Verhalten1. Dies ergab deutlich erhöhten Bedarf und wissenschaftliche Interesse an mechanistische Studien, einschließlich Sicherheitsaspekte. Dieser Artikel konzentriert sich auf die am häufigsten verwendete Form der Stimulation, tDCS.
Arten moduliert tDCS kortikale Erregbarkeit und synaptische Plastizität. Erregbarkeit Veränderungen wurden als Polarität-abhängige Veränderung der spontanen neuronalen Feuerrate in Ratten und Katzen2,3,4, oder Änderungen im motor evozierte potential (MEP) Amplituden in Menschen und Mäusen (gemeldet beide nach anodal und verminderte nach cathodal tDCS erhöht: menschliche5,6; Maus (7). Anodal DCS erhöhte synaptische Wirksamkeit des Motors kortikalen oder hippocampal Synapsen in Vitro für mehrere Stunden nach Stimulation oder lange Begriff Potenzierung (LTP), wenn Co angewendet mit einem bestimmten schwach synaptischen Eingang oder wenn Sie zuvor eine Plastizität auslösende Stimulation8,9,10,11,12. Gemäß, die Vorteile der Stimulation auf motorische oder kognitive Trainingserfolg zeigen oft nur wenn tDCS Co angewandte mit8,13,14,15Ausbildung ist. Während diese bisherigen Erkenntnissen vor allem auf Funktionen von Neuronen zurückzuführen sind, sollte angemerkt werden, dass nicht-neuronalen Zellen (Glia) auch zu funktionellen Auswirkungen von tDCS beitragen können. Beispielsweise erhöht astrocytic intrazellulären Kalziumspiegel während anodal tDCS alert Mäuse16. In ähnlicher Weise induzierte anodal tDCS bei Stromdichten unterhalb des Grenzwerts für Neurodegeneration eine Dosis abhängige Aktivierung der Mikroglia17. Jedoch Bedarf die Modulation der Neuron-Glia-Interaktion durch tDCS weiterer Untersuchung.
Genommen zusammen, tierischen Forschung erweiterte eindeutig unser Verständnis für die modulierende Wirkung von tDCS auf Erregbarkeit und Plastizität. Allerdings gibt es eine “inverse translationale Lücke” Observable in den exponentiellen Anstieg des menschlichen tDCS Studien im Gegensatz zu den langsamen und geringfügige Zunahme der zugrunde liegenden Mechanismen des tES in in-vitro- und in-vivo Untersuchungen Tiermodelle. Darüber hinaus Nagetier tES Modelle sind mit hohen Variabilität in Forschungslabors (reichend von transdermalen Epicranial Stimulation) durchgeführt und gemeldeten Stimulation sind häufig nicht vollständig transparent, erschweren die Vergleichbarkeit und Replizierbarkeit der Grundlagenforschung sowie Interpretation der Ergebnisse.
Hier beschreiben wir ausführlich die chirurgische Umsetzung einer transkraniellen Gehirn Stimulation Aufstellung Primärbewegungsrinde, die Übersetzung der menschlichen tDCS-Bedingung bei gleichzeitiger Minimierung der Variabilität ermöglicht und erlaubt wiederholte Stimulation ohne targeting Verhalten zu behindern. Ein Schritt für Schritt Protokoll für nachfolgende tES in alert Ratten steht zur Verfügung. Methodische und konzeptionelle Aspekte der sicheren Anwendung der tES in alert Nagetiere werden diskutiert.
Protocol
Representative Results
Discussion
Dieses Protokoll beschreibt typische Materialien und Verfahrensschritte für chirurgische Realisierung einer ständigen tES Aufstellung sowie für die anschließende Stimulation in alert Nagetiere. Während der Vorbereitung ein Nagetier, tES experimentieren, mehrere methodische Aspekte (Sicherheit und Verträglichkeit des tES, Ergebnis-Parameter) sowie konzeptionelle Aspekte (Vergleichbarkeit mit der conditio humana, erwartete Effekte der Stimulation auf ein bestimmtes Gehirn Region) müssen berücksichtigt werden. Aus m…
Declarações
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Diese Arbeit wurde von der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG RE 2740/3-1) unterstützt. Wir danken Frank Huethe und Thomas Günther für die Eigenproduktion von maßgeschneiderten tES auf- und 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 |
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