Transcraniële gelijkstroom stimulatie (TDC's) in muizen
Summary
Transcraniële gelijkstroom stimulatie (TDC’s) is een therapeutische techniek voorgesteld voor de behandeling van psychiatrische ziekten. Een dierlijk model is van essentieel belang voor het begrijpen van de specifieke biologische veranderingen die door TDC’s opgeroepen. Dit protocol beschrijft een muismodel van TDC’s die gebruikmaakt van een chronisch geïmplanteerde elektrode.
Abstract
Transcraniële gelijkstroom stimulatie (TDC’s) is een niet-invasieve neuromodulatie Techniek voorgesteld als een alternatieve of aanvullende behandeling voor verschillende neuropsychiatrische ziekten. De biologische effecten van TDC’s worden niet volledig begrepen, die ten dele als gevolg van de moeilijkheden bij het verkrijgen van menselijk hersenweefsel wordt uitgelegd. Dit protocol beschrijft een muismodel van TDC’s die gebruikmaakt van een chronisch geïmplanteerde elektrode waardoor de studie van de biologische effecten van langdurige van TDC’s. In dit experimenteel model, TDC’s verandert de corticale genexpressie en biedt een prominente bijdrage aan het begrip van de beweegredenen voor het therapeutische gebruik ervan.
Introduction
Transcraniële gelijkstroom stimulatie (TDC’s) is een niet-invasieve, goedkope, therapeutische techniek, die zich op de neuronale modulatie door het gebruik van lage-intensiteit continue stromen1 richt. Er zijn momenteel twee opstellingen (anodal en cathodal) voor TDC’s. Terwijl de anodal stimulatie een huidige elektrisch veld te zwak om te activeren van de actie potentieel oefent, hebben elektrofysiologie studies aangetoond dat deze methode veranderingen in synaptische plasticiteit2 produceert. Bijvoorbeeld aangetoond dat TDC’s induceert potentiëring (LTP) effecten op lange termijn zoals verhoogde maximale amplitude van de3,excitatory postsynaptisch potentieel4 en modulatie van de corticale prikkelbaarheid5.
Omgekeerd, cathodal stimulatie induceert remming, resulterend in membraan hyperpolarisatie6. Een hypothese voor dit mechanisme is gebaseerd op de fysiologische bevindingen waar TDC’s te moduleren actiepotentiaal frequentie en duur in de neuronale lichaam3wordt beschreven. Met name doet dit effect niet rechtstreeks oproepen actie potentieel, hoewel het kan verschuiven van de depolarisatie drempel en vergemakkelijken of bemoeilijken van de neuronale afvuren7. Deze effecten contrasterende zijn eerder aangetoond. Bijvoorbeeld, anodal en cathodal stimulatie geproduceerd tegengestelde effecten in geconditioneerde reacties geregistreerd via elektromyografie activiteit in konijnen8. Maar hebben studies ook aangetoond dat langdurige anodal stimulatie sessies prikkelbaarheid verminderen kunnen, terwijl de verhoging van de cathodal stromingen kan leiden tot prikkelbaarheid, presenteren zichzelf contrasterende effecten3.
Zowel anodal als cathodal prikkels aggregaat het gebruik van de elektrode paren. Bijvoorbeeld, in anodal stimulatie, de “actieve” of “anode” is elektrode geplaatst over de regio van de hersenen te worden gedifferentieerd, overwegende dat de “referentie” of de “kathode” elektrode bevindt zich op een gebied waar het effect van de huidige wordt ervan uitgegaan dat onbeduidend9. In de cathodal stimulatie, is elektrode dispositie omgekeerd. De intensiteit van de stimulatie voor effectieve TDC’s hangt af van de huidige intensiteit en afmetingen van de elektrode, die gevolgen hebben voor het elektrische veld anders10. In de meest gepubliceerde studies, bedraagt de gemiddelde stroomsterkte 0.10 naar 2.0 mA en 0,1 mA tot 0.8 mA voor mens en muizen, respectievelijk6,11. Hoewel de grootte van de elektrode van 35 cm2 meestal bij de mens gebruikt wordt, er is geen juiste begrip met betrekking tot de afmetingen van de elektrode voor knaagdieren en een grondiger onderzoek is nodig6.
TDC’s is voorgesteld in klinische studies met de poging van het aanbieden van een alternatieve of aanvullende behandeling voor verschillende neurologische en neuropsychiatrische aandoeningen11 zoals epilepsie12, bipolaire wanorde13, lijn5 , grote depressie14, ziekte van Alzheimer15, multiple sclerose16 en17van de ziekte van Parkinson. Ondanks de groeiende belangstelling voor TDC’s en het gebruik ervan in klinische proeven, gedetailleerde cellulaire en moleculaire evoked wijzigingen in hersenweefsel, korte en langdurige gevolgen, evenals gedrags resultaten, nog dieper te onderzocht18, 19. aangezien een rechtstreekse menselijke aanpak van grondig bestuderen TDC’s niet haalbaar is, het gebruik van een dierlijk model van TDC’s kan bieden waardevolle inzichten in de cellulaire en moleculaire gebeurtenissen ten grondslag liggen aan de therapeutische mechanismen van TDC’s als gevolg van de toegankelijkheid van de dier hersenweefsel.
Beschikbare gegevens is beperkt met betrekking tot de TDC’s modellen in muizen. De meeste van de gerapporteerde modellen gebruikt verschillende implanteren van lay-outs, elektrode afmetingen en materialen. Bijvoorbeeld, Winkler et al. (2017) geïmplanteerd de hoofd elektrode (Ag/AgCl, 4 mm diameter) gevuld met zoutoplossing en het aan de schedel vastgemaakt met acryl cement en schroeven20. Verschillende van onze aanpak, hun borst elektrode was geïmplanteerde (platina, 20 x 1,5 mm). Nasehi et al. (2017) gebruikt een procedure vergelijkbaar met onze, hoewel de thoracale elektrode is gemaakt van een zoutoplossing gedrenkte spons (kool gevuld, 9,5 cm2)21. Een andere studie geïmplanteerd beide elektroden in het hoofd van het dier, die tot stand gekomen met behulp van vaste platen en die betrekking hebben op het hoofd van het dier met een hydrogel dirigent22. Hier beschrijven we een muismodel van TDC’s die gebruikmaakt van een chronisch geïmplanteerde elektrode via eenvoudige chirurgische procedures en TDC’s setup (Figuur 1).
Protocol
Representative Results
Discussion
In de afgelopen jaren invoeren neurostimulatie technieken klinische praktijk als een veelbelovende procedure voor de behandeling van neuropsychiatrische aandoeningen23. Verklein de beperking opgelegd door het gebrek aan kennis van de mechanismen van neurostimulatie en presenteerden we hier een TDC’s muismodel uitvoering van een elektrode die hersengebieden kunt richten. Aangezien de elektrode chronisch implanteerbare is, kunt deze diermodel het onderzoek naar de biologische effecten van langdurige…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Wij danken de heer Rodrigo de Souza voor bijstand bij het handhaven van de kolonies van de muis. L.A.V.M is een postdoctoraal CAPES. Dit werk werd gesteund door de subsidie 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 |
References
- 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).
