Posizionamento di elettrodi stimolanti extracranici e misurazione del flusso sanguigno cerebrale e dei campi elettrici intracranici in topi anestetizzati

La stimolazione elettrica transcranica (tES; con stimolazione sinusoidale, tACS) è un approccio comune, esterno e non invasivo alla neuromodulazione cerebrale ^1,2. In precedenza, abbiamo ipotizzato che a determinate dosi, il tES (e in particolare il tACS) possa aumentare il flusso sanguigno cerebrale (CBF) nelle regioni cerebrali sottostanti³. Inoltre, può esistere una relazione dose-risposta tra la corrente esterna applicata o il campo elettrico intracranico e le risposte CBF risultanti. Tuttavia, la maggior parte dei protocolli di stimolazione clinica si è concentrata su un livello massimo di stimolazione cutanea confortevole (cioè ~ 2 mA) per periodi di tempo programmati (cioè 30-45 minuti) come protocollo di trattamento ^4,5. Nei roditori, è possibile utilizzare elettrodi cerebrali extracranici invasivi applicati direttamente al cranio per studiare i campi elettrici nel cervello indotti da tES⁶. Pertanto, l’obiettivo di questo approccio è quello di determinare gli effetti dell’intensità del tACS a frequenze rilevanti sui cambiamenti del CBF in termini di relazione dose-risposta. Questa curva dose-risposta si basa su un biomarcatore fisiologico a breve termine – misurazioni dirette del CBF – in relazione al campo elettrico imposto al cervello³. Abbiamo precedentemente dimostrato che, ad ampiezze maggiori, tipicamente oltre la gamma di campi elettrici all’interno del cervello indotti clinicamente da tACS, esiste una correlazione quasi lineare tra il campo elettrico indotto e il CBF nella corteccia³. Tuttavia, la stimolazione a campo più piccolo (cioè un’intensità di 1-5 mV/mm) può essere più rilevante e fattibile per l’uso nell’uomo; quindi, abbiamo modificato le nostre tecniche per rilevare cambiamenti CBF più piccoli.

Questo articolo descrive un protocollo per analizzare gli effetti delle correnti sinusoidali alternate (tACS) tES a bassa intensità di campo sul CBF (cioè corrente 0,5-2,0 mA, campo elettrico 1-5 mV/mm), che può essere tollerato dai roditori svegli⁵. Questo protocollo prevede l’uso di un nuovo imaging a speckle laser durante la tACS, nonché di due elettrodi di vetro intracranico, per determinare sia la diffusione della tACS attiva all’interno del cervello (come monitorato dal CBF) che l’intensità del campo elettrico intracranico, che viene mostrata sia come diagramma che come una fotografia sperimentale reale (Figura 1). Ci sono molti possibili effetti fisiologici della tES all’interno del cervello, tra cui la modulazione neuronale diretta, la plasticità neurale e l’attivazione degli astrociti ^7,8. Sebbene il CBF sia stato misurato con tDCS ^9,10, queste misurazioni sono state lente, indirette e insufficienti per valutare la funzione dose-risposta nel cervello. Pertanto, utilizzando appropriati biomarcatori a breve termine (ad esempio, CBF, campi elettrici) e sequenze rapide on/off di tACS, possiamo ora stimare la funzione dose-risposta in modo più accurato. Inoltre, possiamo applicare diverse tecniche per misurare il CBF, tra cui sonde laser Doppler focali (LD) e imaging laser speckle (LSI) con regioni di interesse definite.

Figura 1: Diagramma di stimolazione transcranica ed esempio fotografico . (A) Schema della configurazione della stimolazione transcranica. Il diagramma mostra un cranio di topo con suture coronali e sagittali. Gli elettrodi transcranici sono posizionati lateralmente e simmetricamente sul cranio e sono montati con colla chirurgica e pasta conduttiva tra gli elettrodi e il cranio. Questi elettrodi sono collegati a un dispositivo di stimolazione a corrente costante compatibile con l’uomo, che può specificare la frequenza, l’ampiezza e la durata della stimolazione. Per la valutazione dei campi elettrici intracranici, gli elettrodi di vetro bilaterali (~2 MΩ) vengono posizionati nella corteccia cerebrale (cioè entro 1 mm dall’aspetto interno del cranio attraverso piccoli fori di bava), e questi sono sigillati con olio minerale e hanno fondi di AgCl nel muscolo del collo (mostrati come fili più grandi al centro sepolti nel tessuto sottocutaneo del collo). Questi elettrodi di vetro sono collegati a un amplificatore CC e le loro uscite vengono registrate attraverso un digitalizzatore con almeno quattro canali. Sul cranio vengono posizionate anche sonde laser Doppler bilaterali per le registrazioni. L’intero cranio viene anche ripreso con un dispositivo di imaging a speckle laser o una telecamera raffreddata ad alta risoluzione (almeno 1.024 x 1.024 pixel, profondità pixel 12-14 bit) per il rilevamento del segnale ottico intrinseco. La frequenza isosbestica dell’emoglobina viene in genere scelta (cioè 562 nm) per l’illuminazione per l’imaging del flusso sanguigno. (B) Un’immagine ravvicinata di un esperimento reale, che mostra le sonde laser Doppler bilaterali (a sinistra), i microelettrodi di registrazione intracranica (bilaterale) in vetro posizionati attraverso i fori della bava e con gli elettrodi di stimolazione tACS lateralmente. Abbreviazione: tACS = stimolazione transcranica in corrente alternata. Fare clic qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

Come modo per valutare i meccanismi, possiamo anche interrogare le interazioni con altri processi fisiologici che alterano il CBF, come la depolarizzazione diffusa indotta da K^{+ 11}. Inoltre, piuttosto che sessioni programmate a orari regolari, è anche possibile sviluppare un sistema a circuito chiuso basato su biomarcatori aggiuntivi per una varietà di malattie, come è stato proposto per il trattamento dell’epilessia¹² (ad esempio, dispositivi clinici Neuropace). Ad esempio, la stimolazione cerebrale a circuito chiuso per la malattia di Parkinson si basa comunemente sui potenziali di campo locale (LFP) intrinseci e anormali intrinseci a questa malattia in assenza di una quantità sufficiente di dopamina (tipicamente LFP a banda β)¹³.