Transkraniell likestrøm stimulering (tDCS) i mus
Summary
Transkraniell likestrøm stimulering (tDCS) er en terapeutisk teknikk foreslått å behandle psykiske lidelser. En dyremodell er avgjørende for å forstå de spesifikke biologiske endringene fremkalt av tDCS. Denne protokollen beskriver en tDCS musemodell som bruker en kronisk implantert elektrode.
Abstract
Transkraniell likestrøm stimulering (tDCS) er en ikke-invasiv neuromodulation teknikk foreslått som et alternativ og komplementær behandling for flere nevropsykiatriske sykdommer. De biologiske virkningene av tDCS er ikke fullt ut forstått, som delvis forklares på grunn av vanskelighetene med å få hjernevev. Denne protokollen beskriver en tDCS musemodell som bruker en kronisk implantert elektrode slik at studiet av langvarig biologiske effekter av tDCS. I denne eksperimentelle modellen tDCS endringer i kortikale genuttrykk og tilbyr en fremtredende bidrag til forståelsen av begrunnelsen for terapeutisk bruk.
Introduction
Transkraniell likestrøm stimulering (tDCS) er en ikke-invasiv, lave kostnader, terapeutiske teknikk, som fokuserer på neuronal modulering ved hjelp av lav intensitet kontinuerlig strøm1. Det finnes to oppsett (anodal og cathodal) for tDCS. Mens anodal stimulering utøver en gjeldende elektrisk felt for svak til å utløse handling potensialene, har elektrofysiologi studier vist at denne metoden produserer endringer i synaptiske plastisitet2. For eksempel viser bevis at tDCS induserer potensiering (LTP) langtidseffekter som økt peak amplituden til eksitatoriske postsynaptic potensialer3,4 og modulering av kortikale excitability5.
Derimot induserer cathodal stimulering hemming, noe som resulterer i membran hyperpolarization6. En hypotese for denne mekanismen er basert på fysiologiske funnene der tDCS er beskrevet for å modulere handling potensial hyppighet og varighet i neuronal kroppen3. Spesielt denne effekten ikke direkte fremkalle handling potensialene, selv om det kan skifte depolarization terskelen og lette eller hemme neuronal avfyring7. Dette kontrast effekter har vært tidligere vist. For eksempel produsert anodal og cathodal stimulering motstridende effekter i betinget respons registrert via Elektromyografi aktivitet i kaniner8. Men har studier også vist at lengre anodal stimulering økter kan redusere excitability mens økende cathodal strømmer kan føre til oppstemthet, presenterer selv kontrasterende effekter3.
Både anodal og cathodal stimuli samlet bruk av elektroden. For eksempel i anodal stimulering, “aktiv” eller “anode” er elektrode plassert over hjernen regionen må modulated mens “referanse” eller “katoden” elektroden ligger over et område hvor effekten av gjeldende antas for å være ubetydelig9. I cathodal stimulering, er elektrode kassering invertert. Stimulering intensiteten for effektiv tDCS avhenger av gjeldende intensiteten og elektroden dimensjoner som påvirker elektriske feltet annerledes10. I mest publiserte studier, gjennomsnittlig gjeldende intensiteten er mellom 0.10 til 2.0 mA og 0,1 mA 0,8 mA for menneske og mus, henholdsvis6,11. Selv om elektroden størrelsen på 35 cm2 brukes vanligvis i mennesker, det er ingen riktig forståelse om elektroden dimensjoner for gnagere og en mer grundig undersøkelse er nødvendig6.
tDCS har blitt foreslått i kliniske studier med forsøket på å tilby en alternativ og komplementær behandling for flere nevrologiske og nevropsykiatriske lidelser11 som epilepsi12, bipolar lidelse13, slag5 , store depresjonen14, Alzheimers15, multippel sklerose16 og Parkinsons17. Til tross for økende interesse tDCS og dens bruk i kliniske studier, detaljert mobilnettet og molekylære evoked omleggingene inne hjernevev, kort og varige effekter, samt atferdsmessige resultater, er ennå å bli mer dypt undersøkt18, 19. siden en direkte menneskelige tilnærming til å studere grundig tDCS ikke er levedyktig, bruk av en tDCS dyremodell kan tilby verdifull innsikt i mobilnettet og molekylære hendelsene underliggende terapeutiske mekanismer for tDCS på grunn av tilgjengelighet til den dyrets hjernevev.
Tilgjengelige bevis er begrenset om tDCS modeller i mus. De fleste av de rapporterte modellene brukt ulike implanting oppsett, elektrode dimensjoner og materialer. For eksempel Winkler et al. (2017) implantert hodet elektroden (Ag/AgCl, 4 mm i diameter) fylt med saltvann og fast det til kraniet med akryl sement og skruer20. Forskjellig fra vår tilnærming, deres bryst elektrode var implantert (platina, 20 x 1,5 mm). Nasehi et al. (2017) brukt en prosedyre ligner vår, men thorax elektroden ble laget av saline-gjennomvåt svamp (karbon fylt, 9,5 cm2)21. En annen studie implantert begge elektrodene i dyr hodet, som ble oppnådd ved hjelp av fast plater og dekker dyrets hode med en hydrogel dirigent22. Her beskriver vi en tDCS musemodell som bruker en kronisk implantert elektrode gjennom enkel kirurgiske prosedyrer og tDCS setup (figur 1).
Protocol
Representative Results
Discussion
De siste årene, har neurostimulation teknikker vært inn klinisk praksis som en lovende prosedyre for å behandle nevropsykiatriske lidelser23. For å redusere begrensning pålagt av mangel på kunnskap om mekanismer av neurostimulation, presenterte vi her en tDCS musemodell bærer en elektrode som kan målrette områder av hjernen. Siden elektroden er kronisk implanterbare, kan denne dyremodell etterforskningen av langvarig biologiske effekter fremkalt av tDCS (for minst 1 måned) i komplekse st…
Declarações
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Vi takker Mr. Rodrigo de Souza for hjelp til å opprettholde musen kolonier. L.A.V.M er KAPPER postdoktor. Dette arbeidet ble støttet av grant 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 |
Referências
- 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).
