Установка экстракраниальных стимулирующих электродов и измерение мозгового кровотока и внутричерепных электрических полей у мышей под наркозом
Summary
Описан протокол оценки кривых «доза-реакция» при экстракраниальной стимуляции с точки зрения измерений электрического поля мозга и соответствующего биомаркера – мозгового кровотока. Поскольку этот протокол включает в себя инвазивное размещение электродов в головном мозге, необходима общая анестезия, при этом предпочтение отдается спонтанному дыханию, а не контролируемому дыханию.
Abstract
Обнаружение ответов мозгового кровотока (КБФ) на различные формы активации нейронов имеет решающее значение для понимания динамической функции мозга и вариаций в снабжении мозга субстратом. В данной работе описан протокол измерения ответов КБФ на транскраниальную стимуляцию переменным током (тОКС). Кривые «доза-реакция» оцениваются как по изменению КБФ, происходящему при тОКС (мА), так и по внутричерепному электрическому полю (мВ/мм). Мы оцениваем внутричерепное электрическое поле на основе различных амплитуд, измеряемых стеклянными микроэлектродами в каждой стороне мозга. В этой статье мы описываем экспериментальную установку, которая включает в себя использование либо билатеральных лазерных допплеровских зондов (LD), либо лазерной спекл-визуализации (LSI) для измерения CBF; В результате, эта установка требует анестезии для установки и стабильности электрода. Мы представляем корреляцию между реакцией CBF и током в зависимости от возраста, показывая значительно больший отклик при более высоких токах (1,5 мА и 2,0 мА) у молодых контрольных животных (12-14 недель) по сравнению с более старыми животными (28-32 недели) (p < разница 0,005). Мы также продемонстрировали значительный отклик CBF при напряженности электрического поля <5 мВ/мм, что является важным фактором для возможных исследований на людях. На эти реакции CBF также сильно влияет использование анестезии по сравнению с бодрствующими животными, контроль дыхания (т.е. интубированное или спонтанное дыхание), системные факторы (например, CO2) и местная проводимость в кровеносных сосудах, которая опосредована перицитами и эндотелиальными клетками. Кроме того, более детальные методы визуализации/регистрации могут ограничить размер поля всего мозга только небольшой областью. Описано использование экстракраниальных электродов для применения стимуляции tACS, включая как самодельные, так и коммерческие конструкции электродов для грызунов, одновременное измерение КБВ и внутричерепного электрического поля с помощью двусторонних стеклянных регистрирующих электродов постоянного тока, а также подходы к визуализации. В настоящее время мы применяем эти методы для реализации формата замкнутого цикла для увеличения CBF на животных моделях болезни Альцгеймера и инсульта.
Introduction
Транскраниальная электростимуляция (tES; с синусоидальной стимуляцией, tACS) является распространенным внешним, неинвазивным подходом к нейромодуляции головного мозга 1,2. Ранее мы предположили, что в определенных дозах tES (и особенно tACS) может увеличивать мозговой кровоток (CBF) в нижележащих областях мозга3. Кроме того, может существовать зависимость «доза-эффект» между внешним током или внутричерепным электрическим полем и результирующими реакциями КБФ. Тем не менее, большинство протоколов клинической стимуляции сосредоточены на максимально комфортном уровне стимуляции кожи (т.е. ~ 2 мА) в течение запланированных периодов времени (т.е. 30-45 мин) в качестве протокола лечения 4,5. У грызунов можно использовать инвазивные экстракраниальные электроды головного мозга, прикладываемые непосредственно к черепу, для исследования электрических полей в головном мозге, индуцированных tES6. Следовательно, целью данного подхода является определение влияния интенсивности ТСКС на соответствующих частотах на изменения КБВ с точки зрения соотношения доза-реакция. Эта кривая «доза-реакция» основана на краткосрочных физиологических биомаркерах — прямых измерениях CBF — по отношению к электрическому полю, воздействующему на мозг3. Ранее мы показали, что при больших амплитудах, как правило, за пределами диапазона электрических полей в мозге, индуцированных tACS клинически, существует почти линейная корреляция между индуцированным электрическим полем и CBF в коре3. Тем не менее, стимуляция меньшим полем (т.е. интенсивностью 1-5 мВ/мм) может быть более актуальной и осуществимой для использования у людей; Поэтому мы модифицировали наши методы для обнаружения небольших изменений CBF.
В данной работе описан протокол анализа влияния переменных токов tES с более низкой напряженностью поля (tACS) на НБВ (т.е. ток 0,5-2,0 мА, электрическое поле 1-5 мВ/мм), которые могут переноситься бодрствующими грызунами5. Этот протокол включает в себя использование новой лазерной спекл-визуализации во время tACS, а также двойных внутричерепных стеклянных электродов для определения как распространения активного tACS в головном мозге (контролируемого CBF), так и напряженности внутричерепного электрического поля, которое показано как в виде диаграммы, так и в виде фактической экспериментальной фотографии (рис. 1). Существует множество возможных физиологических эффектов tES в головном мозге, включая прямую модуляцию нейронов, нейронную пластичность и активацию астроцитов 7,8. Несмотря на то, что CBF был измерен с помощью tDCS 9,10, эти измерения были медленными, непрямыми и недостаточными для оценки функции «доза-реакция» в мозге. Таким образом, используя соответствующие краткосрочные биомаркеры (т.е. КБФ, электрические поля) и быстрые последовательности включения/выключения tACS, мы теперь можем более точно оценить функцию «доза-реакция». Кроме того, мы можем применять различные методы для измерения CBF, включая как фокальные лазерные допплеровские датчики (LD), так и лазерную спекл-визуализацию (LSI) с определенными областями интереса.
Рисунок 1: Диаграмма транскраниальной стимуляции и фотографический пример. (А) Схема установки транскраниальной стимуляции. На схеме показан череп мыши с венечными и сагиттальными швами. Транскраниальные электроды размещаются латерально и симметрично на черепе и крепятся с помощью хирургического клея и проводящей пасты между электродами и черепом. Эти электроды подключаются к совместимому с человеком устройству стимуляции постоянного тока, которое может задавать частоту, амплитуду и продолжительность стимуляции. Для оценки внутричерепных электрических полей двусторонние стеклянные электроды (~2 МОм) помещаются в кору головного мозга (т.е. в пределах 1 мм от внутренней стороны черепа через небольшие отверстия для заусенцев), которые герметизируются минеральным маслом и имеют основания AgCl в мышце шеи (показаны как более крупные провода в центре, погруженные в подкожную ткань шеи). Эти стеклянные электроды подключаются к усилителю постоянного тока, а их выходы записываются через дигитайзер, имеющий не менее четырех каналов. Двусторонние лазерные допплеровские зонды также помещаются на череп для записи. Весь череп также визуализируется либо с помощью лазерного устройства для визуализации, либо с помощью охлаждаемой камеры с высоким разрешением (не менее 1024 x 1024 пикселей, глубина пикселя 12-14 бит) для обнаружения собственного оптического сигнала. Частота изосбеста гемоглобина обычно выбирается (т.е. 562 нм) для освещения для визуализации кровотока. (B) Изображение реального эксперимента крупным планом, показывающее двусторонние лазерные допплеровские зонды (слева), (двусторонние) внутричерепные стеклянные регистрирующие микроэлектроды, помещенные через отверстия для заусенцев, и электроды, стимулирующие tACS латерально. Аббревиатура: tACS = транскраниальная стимуляция переменным током. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы увидеть увеличенную версию этого рисунка.
В качестве способа оценки механизмов мы также можем исследовать взаимодействия с другими физиологическими процессами, которые также изменяют CBF, такими как К+-индуцированная распространяющаяся деполяризация11. Кроме того, вместо регулярных сеансов по расписанию можно разработать систему замкнутого цикла, основанную на дополнительных биомаркерах для различных заболеваний, как это было предложено для лечения эпилепсии12 (т.е. клинические устройства Neuropace). Например, стимуляция мозга с замкнутым контуром при болезни Паркинсона обычно основана на внутренних, аномальных потенциалах локального поля (LFP), присущих этому заболеванию, при отсутствии достаточного количества дофамина (обычно LFP β-диапазона)13.
Protocol
Representative Results
Discussion
Этот протокол фокусируется на измерении in vivo под наркозом ответа CBF в качестве биомаркера для оценки реакции мозга на tES14. Долгосрочные биомаркеры ответа на тЭС включают гистологические эффекты лечения, такие как предотвращение или изменение образования амилоидных б?…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Это исследование было поддержано следующими грантами (D.A.T.): NIA RO1 AG074999, NIA R21AG051103, VA I21RX002223 и VA I21 BX003023.
Materials
| Alcohol pads | HenryShein | 112-6131 | |
| Baby mineral oil | Johnson & Johnson | ||
| BD 1 mL syringe | Becton Dikinson | REF 305699 | |
| C3 Flat Surface Electrodes | Neuronexus | ||
| C57BI mice | from NIH colonies | ||
| Copper skull electrods | In house preparation | ||
| Digidata 1440, Clampex | Axon Instruments | ||
| Dumont #5 forceps | FST | #5 | |
| Dumont #7 forceps curved | Dumont | RS-5047 | |
| Eye ointment | Major | LubiFresh P.M. NDC-0904-6488-38 | |
| Flaming/Brown micropipette puller | Sutter instrument Co. | Model P-87 | |
| Forceps 11.5 cm slight curve serrated | Roboz | RS-8254 | |
| Intramedic needle 23 G | Becton Dikinson | REF 427565 | |
| KCl 1 M | In house preparation | ||
| Laser Doppler Probes | Moor Instruments | 0.46 mm laser doppler probes | |
| Laser Speckle Imaging Device | RWD | RFLSI-ZW | |
| Micro curette 13 cm | FST | 10080-05 | |
| Micro Dissecting Scissors, 11.5 cm | Roboz | RS-5914 | |
| Mouse anesthesia fixation | Stoelting | ||
| Neuroconn-DS | Neurocare | DC-Stimulator Plus | |
| PhysioSuite Monitoring | Kent Scientific | ||
| Q-tips | Fisherbrand | 22363167 | |
| Saline 0.9% NaCl solution | Baxter | 281322 | |
| Sensicam QE | PCO Instruments | ||
| Software | Axon Instruments Clampex | ||
| Surgical glue | Covetrus | 31477 | |
| Surgical tape | 3M Transpore | T9784 |
References
- Bestmann, S., Walsh, V. Transcranial electrical stimulation. Current Biology. 27 (23), R1258-R1262 (2017).
- Bikson, M., et al. Rigor and reproducibility in research with transcranial electrical stimulation: An NIMH-sponsored workshop. Brain Stimulation. 11 (3), 465-480 (2018).
- Turner, D. A., Degan, S., Galeffi, F., Schmidt, S., Peterchev, A. V. Rapid, dose-dependent enhancement of cerebral blood flow by transcranial AC stimulation in mouse. Brain Stimulation. 14 (1), 80-87 (2020).
- Shah, S., Chhatbar, P. Y., Feld, J. A., Feng, W. Integrating tDCS into routine inpatient rehabilitation practice to boost post-stroke recovery. Brain Stimulation. 13 (4), 953-954 (2020).
- Voroslakos, M., et al. Direct effects of transcranial electric stimulation on brain circuits in rats and humans. Nature Communications. 9 (1), 483 (2018).
- Alekseichuk, I., Mantell, K., Shirinpour, S., Opitz, A. Comparative modeling of transcranial magnetic and electric stimulation in mouse, monkey, and human. Neuroimage. 194, 136-148 (2019).
- Tavakoli, A. V., Yun, K. Transcranial alternating current stimulation (tACS) mechanisms and protocols. Frontiers in Cellular Neuroscience. 11, 214 (2017).
- Yavari, F., Jamil, A., Mosayebi Samani, M., Vidor, L. P., Nitsche, M. A. Basic and functional effects of transcranial electrical stimulation (tES)-An introduction. Neuroscience and Biobehavioral Reviews. 85, 81-92 (2018).
- Wachter, D., et al. Transcranial direct current stimulation induces polarity-specific changes of cortical blood perfusion in the rat. Experimental Neurology. 227 (2), 322-327 (2011).
- Han, C. H., et al. Hemodynamic responses in rat brain during transcranial direct current stimulation: A functional near-infrared spectroscopy study. Biomedical Optics Express. 5 (6), 1812-1821 (2014).
- Ayata, C., Lauritzen, M. Spreading depression, spreading depolarizations, and the cerebral vasculature. Physiological Reviews. 95 (3), 953-993 (2015).
- Berenyi, A., Belluscio, M., Mao, D., Buzsaki, G. Closed-loop control of epilepsy by transcranial electrical stimulation. Science. 337 (6095), 735-737 (2012).
- Hoang, K. B., Cassar, I. R., Grill, W. M., Turner, D. A. Biomarkers and stimulation algorithms for adaptive brain stimulation. Frontiers in Neuroscience. 11, 564 (2017).
- Turner, D., A, D. S., Hoffmann, U., Galleffi, F., Colton, C. A. CVN-AD Alzheimer’s mice show premature reduction in neurovascular coupling in response to spreading depression and anoxia compared to aged controls. Alzheimer’s and Dementia. 17 (7), 1109-1120 (2021).
- Colton, C. A., et al. mNos2 deletion and human NOS2 replacement in Alzheimer disease models. Journal of Neuropathology and Experimental Neurology. 73 (8), 752-769 (2014).
- Castano-Prat, P., et al. Altered slow (<1 Hz) and fast (beta and gamma) neocortical oscillations in the 3xTg-AD mouse model of Alzheimer’s disease under anesthesia. Neurobiology of Aging. 79, 142-151 (2019).
- Etter, G., et al. Optogenetic gamma stimulation rescues memory impairments in an Alzheimer’s disease mouse model. Nature Communications. 10 (1), 5322 (2019).
- Iaccarino, H. F., et al. Gamma frequency entrainment attenuates amyloid load and modifies microglia. Nature. 540 (7632), 230-235 (2016).
- Martorell, A. J., et al. Multi-sensory gamma stimulation ameliorates Alzheimer’s-associated pathology and improves cognition. Cell. 177 (2), 256-271 (2019).
- Dawson, J., et al. Vagus nerve stimulation paired with rehabilitation for upper limb motor function after ischaemic stroke (VNS-REHAB): A randomised, blinded, pivotal, device trial. Lancet. 397 (10284), 1545-1553 (2021).
- Hacker, M. L., et al. Deep brain stimulation in early-stage Parkinson disease: Five-year outcomes. Neurology. 95 (4), e393-e401 (2020).
- Duun-Henriksen, J., et al. A new era in electroencephalographic monitoring? Subscalp devices for ultra-long-term recordings. Epilepsia. 61 (9), 1805-1817 (2020).
- Haneef, Z., et al. Sub-scalp electroencephalography: A next-generation technique to study human neurophysiology. Clinical Neurophysiology. 141, 77-87 (2022).
