Anestezi Uygulanmış Farelerde Ekstrakraniyal Uyarıcı Elektrotların Yerleştirilmesi ve Serebral Kan Akımı ve İntrakraniyal Elektrik Alanlarının Ölçülmesi
Summary
Beyin elektriksel alan ölçümleri ve ilgili bir biyobelirteç-serebral kan akışı açısından ekstrakraniyal stimülasyon için doz-yanıt eğrilerini değerlendirmek için bir protokol tanımladık. Bu protokol beyne invaziv elektrot yerleştirilmesini içerdiğinden, kontrollü solunum yerine spontan solunum tercih edilerek genel anestezi gerekir.
Abstract
Çeşitli nöronal aktivasyon formlarına serebral kan akışı (CBF) yanıtlarının saptanması, dinamik beyin fonksiyonunu ve beyne substrat beslemesindeki varyasyonları anlamak için kritik öneme sahiptir. Bu makale, transkraniyal alternatif akım stimülasyonuna (tACS) CBF yanıtlarını ölçmek için bir protokolü açıklamaktadır. Doz-yanıt eğrileri hem tACS (mA) ile meydana gelen CBF değişikliğinden hem de intrakraniyal elektrik alandan (mV / mm) tahmin edilir. İntrakraniyal elektrik alanını, beynin her iki tarafındaki cam mikroelektrotlarla ölçülen farklı genliklere dayanarak tahmin ediyoruz. Bu yazıda, CBF’yi ölçmek için bilateral lazer Doppler (LD) probları veya lazer benek görüntüleme (LSI) kullanmayı içeren deney düzeneğini açıklıyoruz; Sonuç olarak, bu kurulum elektrot yerleşimi ve stabilitesi için anestezi gerektirir. Genç kontrol hayvanlarında (12-14 hafta) yaşlı hayvanlara (28-32 hafta) kıyasla daha yüksek akımlarda (1.5 mA ve 2.0 mA) önemli ölçüde daha büyük bir yanıt göstererek, yaşın bir fonksiyonu olarak CBF yanıtı ile akım arasında bir korelasyon sunuyoruz (p < 0.005 fark). Ayrıca, nihai insan çalışmaları için önemli bir husus olan <5 mV / mm'lik elektrik alan kuvvetlerinde önemli bir CBF yanıtı gösteriyoruz. Bu CBF yanıtları ayrıca uyanık hayvanlara kıyasla anestezi kullanımından, solunum kontrolünden (yani entübe ve spontan solunum), sistemik faktörlerden (yani CO2) ve perisitler ve endotel hücrelerinin aracılık ettiği kan damarları içindeki lokal iletimden de güçlü bir şekilde etkilenir. Benzer şekilde, daha ayrıntılı görüntüleme/kayıt teknikleri, alan boyutunu tüm beyinden sadece küçük bir bölgeyle sınırlayabilir. Kemirgenler için hem ev yapımı hem de ticari elektrot tasarımları, bilateral cam DC kayıt elektrotları kullanılarak CBF ve intrakraniyal elektrik alanının eşzamanlı ölçümü ve görüntüleme yaklaşımları dahil olmak üzere tACS stimülasyonunu uygulamak için ekstrakraniyal elektrotların kullanımını açıklıyoruz. Şu anda bu teknikleri, Alzheimer hastalığı ve inme hayvan modellerinde CBF’yi artırmak için kapalı döngü bir format uygulamak için uyguluyoruz.
Introduction
Transkraniyal elektriksel stimülasyon (tES; sinüs dalgası stimülasyonu ile, tACS) beyin nöromodülasyonunayaygın, dışsal, invaziv olmayan bir yaklaşımdır 1,2. Daha önce, belirli dozlarda tES’nin (ve özellikle tACS’nin) altta yatan beyin bölgelerindeki serebral kan akışını (CBF) artırabileceğini varsaymıştık3. Ayrıca, uygulanan harici akım veya intrakraniyal elektrik alanı ile ortaya çıkan CBF yanıtları arasında bir doz-yanıt ilişkisi olabilir. Bununla birlikte, çoğu klinik stimülasyon protokolü, bir tedavi protokolü olarak planlanan süreler boyunca (yani 30-45 dakika) maksimum rahat cilt stimülasyon seviyesine (yani ~ 2 mA) odaklanmıştır 4,5. Kemirgenlerde, tES6’nın neden olduğu beyindeki elektrik alanlarını araştırmak için doğrudan kafatasına uygulanan invaziv, ekstrakraniyal beyin elektrotlarını kullanmak mümkündür. Bu nedenle, bu yaklaşımın amacı, ilgili frekanslarda tACS yoğunluğunun doz-yanıt ilişkisi açısından CBF değişiklikleri üzerindeki etkilerini belirlemektir. Bu doz-yanıt eğrisi, beyne uygulanan elektrik alanıyla ilgili olarak CBF’nin kısa süreli fizyolojik biyobelirteç doğrudan ölçümlerine dayanmaktadır3. Daha önce, daha büyük genliklerde, tipik olarak klinik olarak tACS tarafından indüklenen beyindeki elektriksel alanların aralığının ötesinde, indüklenen elektrik alanı ile korteks3’teki CBF arasında neredeyse doğrusal bir korelasyon olduğunu göstermiştik. Bununla birlikte, daha küçük alan stimülasyonu (yani, 1-5 mV / mm yoğunluğu) insanlarda kullanım için daha uygun ve uygulanabilir olabilir; bu nedenle, daha küçük CBF değişikliklerini tespit etmek için tekniklerimizi değiştirdik.
Bu makale, uyanık kemirgenler tarafından tolere edilebilen düşük alan kuvvetli tES alternatif sinüs akımlarının (tACS) CBF (yani 0.5-2.0 mA akım, 1-5 mV/mm elektrik alanı) üzerindeki etkilerini analiz etmek için bir protokolü açıklamaktadır5. Bu protokol, hem aktif tACS’nin beyin içindeki yayılımını (CBF tarafından izlendiği gibi) hem de hem diyagram hem de gerçek bir deneysel fotoğraf olarak gösterilen intrakraniyal elektriksel alan yoğunluğunu belirlemek için tACS sırasında yeni lazer benek görüntülemenin yanı sıra çift intrakraniyal cam elektrotların kullanılmasını içerir (Şekil 1). Doğrudan nöronal modülasyon, nöral plastisite ve astrosit aktivasyonu dahil olmak üzere beyinde tES’nin birçok olası fizyolojik etkisi vardır 7,8. CBF, tDCS 9,10 ile ölçülmüş olmasına rağmen, bu ölçümler yavaş, dolaylı ve beyindeki doz-yanıt fonksiyonunu değerlendirmek için yetersizdi. Bu nedenle, uygun kısa süreli biyobelirteçleri (yani, CBF, elektrik alanları) ve tACS’nin hızlı açma / kapama dizilerini kullanarak, artık doz-yanıt fonksiyonunu daha doğru bir şekilde tahmin edebiliriz. Ayrıca, CBF’yi ölçmek için hem fokal lazer Doppler probları (LD) hem de tanımlanmış ilgi alanlarına sahip lazer benek görüntüleme (LSI) dahil olmak üzere farklı teknikler uygulayabiliriz.
Şekil 1: Transkraniyal stimülasyon diyagramı ve fotoğraf örneği. (A) Transkraniyal stimülasyon düzeneğinin şeması. Diyagram, koronal ve sagital sütürlere sahip bir fare kafatasını göstermektedir. Transkraniyal elektrotlar kafatasına lateral ve simetrik olarak yerleştirilir ve elektrotlar ile kafatası arasına cerrahi yapıştırıcı ve iletken macun ile monte edilir. Bu elektrotlar, stimülasyonun frekansını, genliğini ve süresini belirleyebilen, insan uyumlu, sabit akımlı bir stimülasyon cihazına bağlanır. İntrakraniyal elektriksel alanların değerlendirilmesi için, bilateral cam elektrotlar (~ 2 MΩ) serebral kortekse yerleştirilir (yani, küçük çapak deliklerinden kafatasının iç yönünün 1 mm yakınına) ve bunlar mineral yağ ile kapatılır ve boyun kasında AgCl toprakları bulunur (merkezde deri altı boyun dokusuna gömülü daha büyük teller olarak gösterilir). Bu cam elektrotlar bir DC amplifikatöre bağlanır ve çıkışları en az dört kanallı bir sayısallaştırıcı aracılığıyla kaydedilir. Bilateral lazer Doppler probları da kayıt için kafatasına yerleştirilir. Kafatasının tamamı ayrıca bir lazer benek görüntüleme cihazı veya içsel optik sinyal tespiti için yüksek çözünürlüklü (en az 1.024 x 1.024 piksel, 12-14 bit piksel derinliği) soğutmalı bir kamera ile görüntülenir. Hemoglobin izosbestik frekansı tipik olarak seçilir (yani, 562 nm) kan akışı görüntüleme için aydınlatma için. (B) Bilateral lazer Doppler problarını (solda), çapak deliklerinden yerleştirilen (iki taraflı) intrakraniyal cam kayıt mikroelektrotlarını ve tACS uyarıcı elektrotları lateral olarak gösteren gerçek bir deneyin yakın çekim görüntüsü. Kısaltma: tACS = transkraniyal alternatif akım stimülasyonu. Bu rakamın daha büyük bir sürümünü görüntülemek için lütfen buraya tıklayın.
Mekanizmaları değerlendirmenin bir yolu olarak, K+ kaynaklı yayılma depolarizasyonu gibi CBF’yi de değiştiren diğer fizyolojik süreçlerle etkileşimleri de sorgulayabiliriz11. Ayrıca, düzenli zamanlarda planlanmış seanslar yerine, epilepsi tedavisi12 (yani klinik Neuropace cihazları) için önerildiği gibi, çeşitli hastalıklar için ek biyobelirteçlere dayalı kapalı döngü bir sistem geliştirmek de mümkündür. Örneğin, Parkinson hastalığı için kapalı döngü beyin stimülasyonu, genellikle yeterli dopamin (tipik olarak β bandı LFP’ler) yokluğunda bu hastalığa özgü içsel, anormal yerel alan potansiyellerine (LFP’ler) dayanır13.
Protocol
Representative Results
Discussion
Bu protokol, tES14’e beyin yanıtını tahmin etmek için bir biyobelirteç olarak CBF yanıtının in vivo, anestezi altında ölçümüne odaklanır. tES yanıtının uzun vadeli biyobelirteçleri, amiloid plak oluşumunun önlenmesi veya değişmesi gibi histolojik tedavi etkilerini içerir (yani, birkaç AD modelinde 40 Hz’de gama stimülasyonu ile)16,17,18,19, ancak k…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Bu çalışma aşağıdaki hibelerle desteklenmiştir (D.A.T.’ye): NIA RO1 AG074999, NIA R21AG051103, VA I21RX002223 ve 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).
