Manipulatie van Epileptiforme Electrocorticograms (ECoGs) en Sleep bij ratten en muizen door Acupunctuur
Summary
This paper demonstrates the performance of acupuncture, epilepsy models, and the analysis of sleep in rodents. The acupuncture procedure and the identification of acupoints are described. Pilocarpine or pentylenetetrazol (PTZ) is used to induce epilepsy. Electrocorticogram (ECoG), electromyogram (EMG), brain temperature, and locomotor activity recordings are employed for sleep analysis.
Abstract
Ancient Chinese literature has documented that acupuncture possesses efficient therapeutic effects on epilepsy and insomnia. There is, however, little research to reveal the possible mechanisms behind these effects. To investigate the effect of acupuncture on epilepsy and sleep, several issues need to be addressed. The first is to identify the acupoints, which correspond between humans, rats, and mice. Furthermore, the depth of insertion of the acupuncture needle, the degree of needle twist in manual needle acupuncture, and the stimulation parameters for electroacupuncture (EA) need to be determined. To evaluate the effects of acupuncture on epilepsy and sleep, a feasible model of epilepsy in rodents is required. We administer pilocarpine into the left central nucleus of the amygdala (CeA) to simulate focal temporal lobe epilepsy (TLE) in rats. Intraperitoneal (IP) injection of pilocarpine induces generalized epilepsy and status epilepticus (SE) in rats. Five IP injections of pentylenetetrazol (PTZ) with a one-day interval between each injection successfully induces spontaneous generalized epilepsy in mice. Recordings of electrocorticograms (ECoGs), electromyograms (EMGs), brain temperature, and locomotor activity are used for sleep analysis in rats, while ECoGs, EMGs, and locomotor activity are employed for sleep analysis in mice. ECoG electrodes are implanted into the frontal, parietal, and contralateral occipital cortices, and a thermistor is implanted above the cerebral cortex by stereotactic surgery. EMG electrodes are implanted into the neck muscles, and an infrared detector determines locomotor activity. The criteria for categorizing vigilance stages, including wakefulness, rapid eye movement (REM) sleep, and non-REM (NREM) sleep are based on information from ECoGs, EMGs, brain temperature, and locomotor activity. Detailed classification criteria are stated in the text.
Introduction
Epilepsie is een veel voorkomende neurologische aandoening waarbij recurrente aanvallen optreden gedurende de levensduur van een patiënt. De meeste epileptische recidieven kunnen worden goed gecontroleerd door anti-epileptica (AEDs). Echter ongeveer 30% van epileptische patiënten ontwikkelen refractaire epilepsie 1. Epilepsie oorzaken slaapstoornissen, die verder herhaling kan verergeren. Het bewijs toont aan dat epilepsie kunnen ofwel de slaap verstoren 's nachts of kan overmatige slaperigheid overdag 2,3 veroorzaken. Onze vorige studies verder aan dat epilepsie die zich op zeitgeber tijd (ZT) 0, dat wil zeggen, het begin van de lichte periode in het licht: donker cyclus, vermindert de slaap; dit wordt gemedieerd door corticotropine releasing hormoon (CRH), een homeostatische factor. Epilepsie bij ZT13 (het begin van de donkere periode) verhoogt de expressie van een homeostatische factor, interleukine-1 (IL-1), die slaap toeneemt. Slaap circadiane ritmes worden gewijzigd wanneer epilepsie optreedt bij ZT6, het midden van delicht periode 4,5. Aan de andere kant, slaapproblemen verder verergeren de progressie en de herhaling van epilepsie 6. Op basis van de eerder genoemde bewijs, proberen we een optimale therapeutische methode om tegelijkertijd epilepsie te controleren en te voorkomen dat slaapstoornissen bij patiënten met epilepsie te onthullen. We hebben eerder gevonden dat elektro (EA) met een 10-Hz stimulatiefrequentie, waarbij een bepaalde hoeveelheid stroom in de acupunt wordt geleverd via een roestvrij-stalen naald, succesvol onderdrukt electrocorticogram (ECoG) epileptische activiteiten en epilepsie geïnduceerde slaapstoornissen 7 . EA met een 100-Hz stimulatie frequentie verder verslechtert epileptische activiteiten en slaapstoornissen bij ratten 8,9. Deze succesvolle experiment afhankelijk van drie factoren: ten eerste, een haalbare epileptische diermodel; ten tweede een werkwijze voor slapen registratie en analyse bij knaagdieren; en ten derde, de nauwkeurige prestaties van acupunctuur en de nauwkeurigheid van de acupoint locations.
Epilepsie is onderverdeeld in twee belangrijke types: focale epilepsie en gegeneraliseerde epilepsie. Wij zijn geïnteresseerd in focale temporaalkwab epilepsie (TLE), gegeneraliseerde epilepsie, status epilepticus (SE), en de terugkeer van spontane gegeneraliseerde epilepsie. Daarom worden verschillende manipulaties toegepast op geschikte epileptische modellen te maken voor onze experimenten. Focale TLE stellen, wordt een lage dosis van pilocarpine toegediend in de linker centrale kern van de amygdala (CEA). Om dit model te verifiëren, worden zes ECoG geïmplanteerde elektroden op de frontale (F1 en F2), pariëtale (P1 en P2) en occipitale (O1 en O2) kwabben in zowel de linker en rechter hemisferen, en nog eens twee referentie-elektroden (R1 & R2) worden over het cerebellum in beide hemisferen. Een extra microinjectie geleidingscanule wordt chirurgisch geïmplanteerd in de linker cea (AP, 2,8 mm vanaf bregma, ML, 4,2 mm, DV, 7,8 mm ten opzichte van bregma). De coördinaten zijn afgeleid van de Paxinos en Watson rat atlas 10. Indien het brandpunt TLE succesvol is geïnduceerd, alleen de opname van de elektrode links pariëtale cortex (P1), dat vlak bij de linker CEA, dient de dominante epileptiform ECoGs verkrijgen, zonder significante epileptische ECoGs opgenomen vanaf de andere ECoG elektroden. Intraperitoneale (IP) injectie van pilocarpine in ratten induceren gegeneraliseerde epilepsie en SE, maar dit kan fataal zijn. Vijf IP injecties van pentyleentetrazool (PTZ) met een eendaagse interval tussen elke injectie met succes spontane gegeneraliseerde epilepsie veroorzaken bij muizen en ook zorgen voor de overleving van de muizen. Tweedraads ECoG elektroden worden geïmplanteerd in de frontale en pariëtale cortex in de muizen ECoG signalen en spontaan terugkerende epilepsie te controleren.
Polysomnografie (PSG) is een uitgebreide methode om fysiologische veranderingen die optreden tijdens de slaap nemen, en het objectief classificeren slaap in verschillende stadia van niet-snelle oogbeweging (NREM) en rAPID eye movement (REM) slaap. PSG registreert parameters van lichaamsfuncties, met inbegrip van hersengolven (elektro-encefalogram, EEG), oogbewegingen (elektro-, EOG), skeletspier tonen (electromyogram, EMG), hart ritmes (elektrocardiogram, ECG), en het bloed zuurstof en respiratoire parameters. Bij ratten, we ECoGs, EMGs, corticale temperatuur en bewegingsactiviteit opnemen waakzaamheid staten te delen in waken, NREM slaap en REM-slaap. Sleep-analyse bij muizen wordt uitgevoerd met behulp van ECoGs, EMG en bewegingsactiviteit resultaten. Ratten worden chirurgisch geïmplanteerd met drie ECoG schroef elektroden in de frontale, pariëtale en contralaterale cerebellaire cortex door stereotaxische chirurgie. Post-acquisitie bepaling van de waakzaamheid staten (waken, NREM slaap en REM-slaap) wordt uitgevoerd op basis van de ervaringen bij de ECoGs, EMG, hersenen temperatuur en bewegingsactiviteit parameters. Gedetailleerde criteria voor het categoriseren gedrag van het dier in zowel ratten als muizen beschreven in tHij protocol.
Zowel ratten als muizen moeten worden verdoofd met een lage dosis zoletil (25 mg / kg) die de helft van de dosis van anesthesie gewoonlijk toegediend tijdens stereotaxische chirurgie, alvorens manuele acupunctuur of EA. Deze dosering mogelijk maken de dieren wakker worden 30 tot 35 minuten na de injectie. Handmatige acupunctuur of EA wordt uitgevoerd bij het begin van de donkere periode, met een constante tijdsduur van 30 min, en elk dier achtereenvolgens behandeld gedurende twee tot drie dagen. EA stimulerende stromen worden afgeleverd in een bepaalde acupoint met een roestvrij stalen naald die in de acupunt wordt geplaatst. De stimulusstroomniveaus een trein van tweefasige rechthoekige pulsen, waarbij de pulsduur 150 ms en de stimulatie-intensiteit 1 mA. Als een droge naald wordt gebruikt voor het handmatig acupunctuur, wordt de naald ingebracht in de acupunctuurpunten 10 keer om de 5 min trok. Het moeilijkste deel van de handleiding acupunctuur of EA is om de acupunctuurpunten lokaliseren bij knaagdieren. de locatie van acupunten bij ratten of muizen is vergelijkbaar met de anatomische locatie bij de mens. Zo worden de bilaterale Fengchi acupunctuurpunten op 3 mm afstand van de achterste middellijn van de hals, tussen de twee oren, die vergelijkbaar is met de anatomische locatie bij de mens 11. Verder kan de acupunten met lage impedantie op de huid verder worden bevestigd. Sham acupunctuur of schijnvertoning EA manipulatie is nodig voor acupunctuur of EA experimenten. Sham acupunctuur of sham EA moet worden uitgevoerd bij een niet-acupoint dicht bij de acupoint, zoals in de buurt van de oksel 12.
Om de effecten van acupunctuur of EA over epilepsie en epilepsie veroorzaakte slaapstoornissen succes te onderzoeken, moeten de volgende factoren worden in de plaats: een haalbare epileptische diermodel, de precieze analyse van epileptische ECoGs en de herhaling van epilepsie, een methode om waakzaamheid staten classificeren en de nauwkeurige prestaties van acupunctuur of EA bij knaagdieren.
Protocol
Representative Results
Discussion
Het kiezen van een haalbare epilepsie diermodel is essentieel voor elke experimentele doeleinden. Een van onze doelen is om de effecten van EA voor epilepsie onderdrukking helderen. EA is een alternatieve geneeskunde die therapeutisch effect bij epilepsie kunnen vertonen en is gedocumenteerd in de oude Chinese literatuur. Echter, er is een gebrek aan wetenschappelijk bewijs om het te bewijzen. Om de effecten van EA op epilepsie te bepalen, we vooral gericht op de effecten van EA op mild focale epilepsie, in plaats van o…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
This work was supported by Ministry of Science and Technology (MOST) grants MOST104-2410-H-002-053 & NSC99-2320-B-002-026-MY3. This manuscript was edited and proofread by Mr. Brian Chang, who has experience revising professional documents.
Materials
| Drugs | |||
| Zoletil | Virbac | 50 mg/kg i.p. | |
| pilocarpine | Sigma-Aldrich | P6503 | 300 mg/kg i.p.; 1.2 mg microinjection |
| PTZ | Sigma-Aldrich | P6500 | 0.035 mg/mouse |
| polysporin | Pfizer | ||
| Surgery | |||
| ECoG electrode | Plastics One | E363/20 | screw electrode for rats |
| Pedestal | Plastics One | MS363 | |
| Cannula | Plastics One | C315G/spc | |
| Thermistor | Omega Engineering | 44008 | |
| Dental acrylic | Tempron | ||
| Stereotaxic Instrument | Stoelting | Dural arms | |
| Recording equipments | |||
| ECoG amplifier | Colbourn Instruments | V75-01 | |
| A/D Board | National Instruments | NI PCI-6033E | |
| Infrared-based motion detectors | Biobserve GmbH | custom-made | |
| ICELUS | G-System | ||
| AxoScope 10 Software | Molecular Devices | ||
| Acupuncture needs | |||
| Stainless needles | Shanghai Yanglong Medical Articles Co. | 32 gauge x 1” | |
| Functions Electrical Stimulator | I.T.O., Japan | Trio 300 | |
| AcuPen | Lhasa OMS | Pointer Excel II |
References
- Regesta, G., Tanganelli, P. Clinical aspects and biological bases of drug-resistant epilepsies. Epilepsy Res. 34 (2-3), 109-122 (1999).
- Malow, B. A., Bowes, R. J., Lin, X. Predictors of sleepiness in epilepsy patients. Sleep. 20 (12), 1105-1110 (1997).
- Stores, G., Wiggs, L., Campling, G. Sleep disorders and their relationship to psychological disturbances in children with epilepsy. Child Care Health Dev. 24 (1), 5-19 (1998).
- Yi, P. L., Tsai, C. H., Lin, J. G., Lee, C. C., Chang, F. C. Kindling stimuli delivered at different times in the sleep-wake cycle. Sleep. 27 (2), 203-212 (2004).
- Yi, P. L., Chen, Y. J., Lin, C. T., Chang, F. C. Occurrence of epilepsy at different zeitgeber times alters sleep homeostasis differently in rats. Sleep. 35 (12), 1651-1665 (2012).
- Bazil, C. W. Sleep and epilepsy. Semin Neurol. 22, 321-327 (2002).
- Yi, P. L., Lu, C. Y., Jou, S. B., Chang, F. C. Low frequency electroacupuncture suppress focal epilepsy and improves epilepsy-induced sleep disruptions. J Biomed Sci. 22, 49 (2015).
- Yi, P. L., Lu, C. Y., Cheng, C. H., Tsai, Y. F., Lin, C. T., Chang, F. C. Activation of amygdala opioid receptors by electroacupuncture of Feng-Chi (GB20) acupoints exacerbates focal epilepsy. BMC Complement Altern Med. 13, 290 (2013).
- Yi, P. L., Lu, C. Y., Cheng, C. H., Tsai, Y. F., Lin, C. T., Chang, F. C. Amygdala opioid receptors mediate the electroacupuncture-induced deteriortation of sleep disruptions in epilepsy rats. J Biomed Sci. 20, 85 (2013).
- Paxinos, G., Watson, W. . The Rat Brain in Stereotaxic Coordinates (4th edition). , (1998).
- Siu, F. K. W., Lo, S. C. L., Leung, M. C. P. Electro-acupuncture potentiates the disulphide-reducing activities of thioredoxin system by increasing thioredoxin expression in ischemia-reperfused rat brains. Life Sci. 77 (4), 386-399 (2005).
- Yi, P. L., Tsai, C. H., Lin, J. G., Liu, H. J., Chang, F. C. Effects of electroacupuncture at ‘Anmian’ (extra) acupoints on sleep activities in rats: the implication of the caudal nucleus tractus solitaries. J Biomed Sci. 11 (5), 579-590 (2004).
- Jou, S. B., Kao, I. F., Yi, P. L., Chang, F. C. Electrical stimulation of left anterior thalamic nucleus with high-frequency and low-intensity currents reduces the rate of pilocarpine-induced epilepsy in rats. Seizure. 22 (3), 221-229 (2012).
- Chang, F. C., Opp, M. R. Blockade of corticotropin-releasing hormone receptors reduces spontaneous waking in the rat. Am J Physiol Regul Integr Comp Physiol. 275 (3), 793-802 (1998).
- Cheng, C. H., Yi, P. L., Lin, J. G., Chang, F. C. Endogenous opiates in the nucleus tractus solitaries mediate electroacupuncture-induced sleep activities in rats. Evid Based Complement Alternat Med. 2011, 159209 (2011).
- Tsui, P., Leung, M. C. Comparison of the effectiveness between manual acupuncture and electro-acupuncture on patients with tennis elbow. Acupunct Electrother Res. 27 (2), 107-117 (2002).
- Napadow, V., Makris, N., Liu, J., Kettner, N. W., Kwong, K. K., Hui, K. K. Effects of electroacupuncture versus manual acupuncture on the human brain as measured by fMRI. Hum Brain Mapp. 24 (3), 193-205 (2005).
