טראנס זרם ישיר גירוי (tDCS) בעכברים
Summary
טראנס זרם ישיר גירוי (tDCS) היא טכניקה טיפולית הציע לטפל במחלות פסיכיאטריות. במודל חיה חיונית להבנת שינויים ביולוגיים ספציפיים עורר באמצעות tDCS. פרוטוקול זה מתאר מודל העכבר tDCS המשתמשת אלקטרודה מושתל באופן כרוני.
Abstract
טראנס זרם ישיר גירוי (tDCS) היא טכניקה neuromodulation פולשני המוצע כטיפול אלטרנטיבית או משלימה למחלות מנוטלי מספר. השפעות ביולוגיות של tDCS הם לא מובן במלואו, כפי שמוסבר בחלקו בשל הקושי בהשגת רקמת המוח האנושי. פרוטוקול זה מתאר מודל העכבר tDCS המשתמשת אלקטרודה מושתל באופן כרוני המאפשר הלימוד לטווח ארוך השפעות ביולוגיות tDCS. במודל זה ניסיוני, tDCS שינויים בביטוי הגן קורטיקלית ומציע תרומה בולטת ההבנה של הרציונל לשימוש טיפולית שלה.
Introduction
טראנס זרם ישיר גירוי (tDCS) היא שיטה לא פולשנית, בעלות נמוכה, טיפולית, אשר מתמקדת אפנון עצביים באמצעות זרמי רציף בעוצמה נמוכה1. כיום יש שני הייעודיות (anodal ו- cathodal) tDCS. בזמן הגירוי anodal מפעילה שדה חשמלי הנוכחי חלש מדי כדי לעורר פוטנציאל פעולה, אלקטרופיזיולוגיה מחקרים הראו כי שיטה זו מייצרת שינויים הפלסטיות הסינפטית2. לדוגמה, ראיות מראה ש-tdcs הזה גורם השפעות ארוכות טווח potentiation (LTP) משרעת השיא מוגברת של3,פוטנציאל postsynaptic סינאפסות4 ו אפנון דעתנית קורטיקלית5.
לעומת זאת, גירוי cathodal גורם עיכוב, וכתוצאה מכך ממברנה hyperpolarization6. השערה על מנגנון זה מבוסס על ממצאים פיזיולוגיים שבה מתואר tDCS כדי לווסת את פוטנציאל הפעולה התדירות והמשך של הגוף עצביים3. ראוי לציין, אפקט זה לא ישירות לעורר פוטנציאל פעולה, למרות שניתן משמרת את הסף דפולריזציה, להקל או ה”בלתי ירי עצביים7. אלה מנוגדים אפקטים בעבר הוכחו. לדוגמה, גירוי anodal, cathodal מיוצר תופעות מנוגדות תגובות מותנה רשום דרך פעילות אלקטרומיוגרפיה ארנבים8. עם זאת, מחקרים הראו גם כי גירוי ממושך anodal הפעלות עשויה להקטין דעתנית בעוד הגדלת זרמים cathodal עלול להוביל דעתנית, הצגת אפקטים מנוגדים עצמית3.
הן anodal והן cathodal גירויים צבירה השימוש של זוגות אלקטרודות. לדוגמה, גירוי anodal, “פעיל” או “אנודת” האלקטרודה ממוקמת מעל האזור במוח כדי להיות מאופנן ואילו האלקטרודה “הפניה” או “קטודית” ממוקם מעל האזור שבו השפעת זרם ההנחה תהיה חשיבות9. בגירוי cathodal, אלקטרודה פריסה הוא הפוך. עוצמת גירוי עבור tDCS יעיל תלוי עוצמת הנוכחי, אלקטרודה ממדים, אשר משפיעים על החשמל שדה אחרת10. במחקרים שפורסמו ביותר, עוצמת הנוכחי הממוצע הוא בין 0.10 ל 2.0 mA ו- 0.1 מ- 0.8 אמא לבן אדם ועכברים, בהתאמה6,11. למרות גודל האלקטרודה 35 ס מ2 משמש בדרך כלל אצל בני אדם, יש אין הבנה נכונה לגבי אלקטרודה הממדים עבור מכרסמים, חקירה יסודית יותר הוא נדרש6.
tDCS הוצע במחקרים קליניים עם הניסיון של המציע טיפול אלטרנטיבית או משלימה עבור והפרעות נוירולוגיות מנוטלי מספר11 כגון אפילפסיה12, הפרעה דו קוטבית13, קו5 , רס ן דיכאון14, מחלת אלצהיימר15, טרשת נפוצה16 ו מחלת פרקינסון17. למרות גוברת ההתעניינות tDCS והשימוש בו ניסויים קליניים, הסלולר מפורט מולקולרית עורר שינויים ברקמת המוח, קצר, תופעות לטווח ארוך, וכן תוצאות התנהגותיות, הן עדיין להיות עמוק יותר נחקר18, 19. מאז בגישה אנושית ישירה ללמוד ביסודיות tDCS אינה ברת קיימא, השימוש במודל חיה tDCS עשויים להציע תובנות לתוך האירועים תאית ומולקולרית בבסיס המנגנון הטיפולי של tDCS עקב הנגישות רקמת המוח של בעל החיים.
הראיות הזמינות מוגבל לגבי דגמים tDCS בעכברים. רוב הדגמים שדווחה להשתמש בפריסות שונות implanting, אלקטרודה מידות וחומרים. לדוגמה, וינקלר. et al. (2017) מושתל האלקטרודה ראש (Ag/AgCl, 4 מ מ קוטר) מלא עם תמיסת מלח ותיקנו אותה בגולוגולת עם מלט וברגים אקריליק20. שונה מן הגישה שלנו, אלקטרודה החזה שלהם היה מושתל (פלטינה, 20 x 1.5 מ מ). . Nasehi et al. (2017) היה תהליך מאוד דומה לשלנו, למרות האלקטרודה בית החזה עשוי ספוג ספוג תמיסת מלח (פחמן מלא, 9.5 ס מ2)21. מחקר אחר מושתלים שתי אלקטרודות לראש של החיה, אשר הושגה על ידי שימוש קבוע צלחות וכיסוי הראש של החיה עם מנצח הידרוג22. כאן נתאר מודל העכבר tDCS המשתמשת אלקטרודה מושתל באופן כרוני דרך הגדרת פשוטה עם כירורגית הליכים ו tDCS (איור 1).
Protocol
Representative Results
Discussion
בשנים האחרונות, טכניקות בגירוי יש כבר נכנס הקלינית כמו שגרה מבטיח לטפל מנוטלי הפרעות23. כדי להפחית את האילוץ המוטלים על-ידי חוסר הידע על מנגנוני בגירוי, הצגנו כאן מודל העכבר tDCS נושאת אלקטרודה שיכולות היעד אזורים במוח. מאחר האלקטרודה מושתלת באופן כרוני, מודל זה בעל חיים מאפשר הח…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
אנו מודים מר רודריגו דה סוזה לסיוע בשמירה על העכבר מושבות. L.A.V.M הוא בחור דוקטורט הכפים. עבודה זו נתמכה על ידי המענק 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).
