مسرى مكروي تسترشد زرع الأقطاب الكهربائية في نواة تحت المهاد الجرذان على المدى الطويل العميق تحفيز الدماغ
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
التحفيز العميق للدماغ (DBS) هو العلاج المستخدمة على نطاق واسع وفعال لاضطرابات عصبية عدة، مثل المرض، خلل التوتر مجهول السبب باركنسون أو الزلزال. ويستند DBS على تقديم المحفزات الكهربائية إلى هياكل تشريحية عميقة محددة في الجهاز العصبي المركزي. ومع ذلك، فإن الآليات الكامنة وراء تأثير DBS لا تزال غامضة. وقد أدى هذا إلى اهتمام في التحقيق في تأثير DBS في النماذج الحيوانية، وخاصة في الفئران. كما DBS هو العلاج على المدى الطويل، ينبغي أن تركز البحوث على التغيرات الجزيئية الوراثية من الدوائر العصبية التي تحدث بعد عدة أسابيع من DBS. على المدى الطويل DBS في الفئران يشكل تحديا لأن الفئران تتحرك حولها في قفص، والذي يسبب مشاكل في حفظ في مكان السلك الرائدة من رأس الحيوان إلى مشجعا. وعلاوة على ذلك، والهياكل هدفا للالتحفيز في الدماغ الفئران صغيرة ولا يمكن بسهولة وضعها وبالتالي الأقطاب في الموقف المطلوب. وهكذا، فإن انشاء لstimula طويلة الأمدوقد وضعت نشوئها من الفئران باستخدام أقطاب البلاتين / الايريديوم مع مقاومة من حوالي 1 MΩ لهذه الدراسة. إلكترود مع هذه المواصفات يسمح ليس فقط التحفيز الملائم ولكن أيضا تسجيل هياكل الدماغ العميق لتحديد المنطقة المستهدفة لDBS. في لدينا مجموعة المتابعة، وجزءا لا يتجزأ من إلكترود مع المكونات لسلك في الاسمنت الأسنان مع أربعة مسامير ترسيخ المضمون على الجمجمة. الأسلاك من قابس إلى مشجعا كان يحميها الربيع الفولاذ المقاوم للصدأ. وتواصل قطب إلى الدائرة لمنع السلك من أن تصبح متشابكة. عموما، هذا التحفيز انشاء يوفر درجة عالية من حرية الحركة للجرذ وتمكن المكونات الرأس، فضلا عن اتصال سلكية بين المكونات ومشجعا، إلى الابقاء على قوة طويلة الأمد.
Introduction
التحفيز العميق للدماغ (DBS) هو علاج يقوم على إيصال النبضات الكهربائية عبر أقطاب كهربائية مزروعة في هياكل الدماغ محددة، مثل الكرة الشاحبة الداخلي 1، نواة تحت المهاد (STN) 2-4 أو المهاد المتوسط بطني 5. في العقدين الأخيرين، تم إنشاء هذا العلاج كأداة علاجية قوية لمرض باركنسون 1-4، خلل التوتر 6 والهزة 7، ويستخدم أيضا لتعديل الألم المزمن 7، الاضطرابات النفسية (أي الوسواس القهري 8، الاكتئاب الشديد 9) أو الصرع المستعصي 10،11. وعلاوة على ذلك، قد DBS، في المستقبل، يصبح الخيار لعلاج ارتفاع ضغط الدم الشرياني الحرارية 12 أو انخفاض ضغط الدم الانتصابي 13.
الآليات الفسيولوجية التي يقوم عليها آثارمن DBS تبقى سوء فهم. وقد وفرت دراسات في القوارض تخدير نظرة ثاقبة الردود العصبية لتحفيز عالية التردد التي تحاكي تطبيقها سريريا DBS 14. ومع ذلك، فإن هذه الدراسات لا تفتقر فقط التثبت السلوكي للتأثير DBS ولكن يؤدي أيضا إلى تفاوت كبير اعتمادا على المعلمات التحفيز تطبيق 14.
للتحقيق أكثر من الإيجاز الآثار السلوكية والآليات الكامنة وراء DBS في القوارض واعية، وهناك حاجة إلى التحفيز انشاء يلبي متطلبات محددة. يستخدم DBS الغالب كعلاج طويل الأمد (على سبيل المثال، مرض باركنسون، والألم المزمن). وبالتالي، ينبغي أن تصمم تحفيز انشاء في القوارض بحيث تتكون الوحدة من إلكترود مع المكونات، فضلا عن الأسلاك من قابس إلى مشجعا الخارجية؛ وهذه الوحدة يجب أن تكون خفيفة الوزن ولكن غير قابلة للكسر عند ثابتة على الجمجمة. وعلاوة على ذلك، وحرية التنقل لا غنى عنها بالنسبة للفئران خلال stimulaنشوئها على مدى فترة طويلة. الهياكل الهدف من DBS صغيرة. على سبيل المثال، STN في الفئران يبلغ طولها 1،2 ملم وحجم 0.8 ملم 3،15. لذلك، يجب أن تكون مصممة بحيث أقطاب نواة لا lesioned خلال الإدراج واستهداف الاحتياجات على وجه الدقة. كما استخدمت معظم الدراسات التي أجريت في DBS القوارض بارزة مقرها الإدراج المجسم من القطب إلى هيكل الهدف، يمكن أن نسبة الخطأ تكون مرتفعة نسبيا، حتى عند استخدام الإحداثيات وفقا لPaxinos واتسون 16. هذه النتائج في عدد أكبر من الحيوانات اللازمة للتوصل إلى نتيجة ذات مغزى من الناحية الإحصائية.
في هذه الدراسة تم إدخال تقنية زرع قطب كهربائي، الذي يستهدف STN بدقة عالية باستخدام نظام microrecording، بينما ارتفع القطب. وبالإضافة إلى ذلك، يتم تقديم نظام التحفيز التي لا تسمح فقط على درجة عالية من التنقل للحيوان حفز لكن يضمن أيضا stimulati المستمرعلى طريق تثبيت آمن من السلك التحفيز (التي محمي بواسطة ربيع الفولاذ المقاوم للصدأ) على رأس الفئران.
Protocol
Representative Results
Discussion
تقدم هذه الدراسة مجموعة خطوة بخطوة تعليمات لزرع قطب كهربائي المزمن القطب في STN من الفئران. على الرغم من الأقطاب الكهربائية التنغستن مع مقاومة منخفضة غالبا ما تستخدم لDBS 18،19، القطب القطب مصنوعة من البلاتين / الايريديوم (حزب العمال / عير) كان يعمل التي كان لها م?…
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).
