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Verhalten

Repetitive transkranielle Magnetstimulation auf die Einseitige Hemisphäre von Rattenhirn

Published: October 22, 2016
doi:
10.3791/54217
, , , , ,
1Department of Rehabilitation Medicine,Chungnam National University Hospital, Daejeon, 2Department of Biomedical Engineering,Seoul National University College of Medicine, 3Institute of Medical and Biological Engineering, Medical Research Center,Seoul National University, 4Department of Biomedical Engineering,Seoul National University Hospital, 5Department of Nuclear Medicine,Seoul National University Hospital, Seoul National University College of Medicine, 6Department of Rehabilitation Medicine,Gangwon Do Rehabilitation Hospital, 7Department of Rehabilitation Medicine,Seoul National University Hospital, Seoul National University College of Medicine

Summary

We applied repetitive transcranial magnetic stimulation (rTMS) to the unilateral hemisphere of rat brain, by placing a 25-mm figure-8 coil 1 cm lateral to the vertex on the biauricular line and angulating the coil by 45°. An in-house water cooling system was used for rTMS for more than 20 min.

Abstract

Previous rodent models of repetitive transcranial magnetic stimulation (rTMS) adopted whole-brain stimulation instead of unilateral hemispheric rTMS, which is unlike the protocols used for human subjects. We report a successful application of rTMS to the unilateral hemisphere of rat brain. The rTMS was delivered with a low-frequency (1 Hz), high-frequency (20 Hz), or sham stimulation protocol to one side of the brain by using a small 25-mm figure-8 coil. We placed the center of the coil 1 cm lateral to the vertex on the biauricular line and angulated the coil 45° to the ground to minimize a potential direct effect of rTMS on the contralateral cortex. We also used an in-house water cooling system to enable repetitive magnetic stimulation for more than 20 min, even at a 20-Hz stimulation frequency. Increases in the transcriptions of immediate early genes (Arc, Junb, and Egr2) were greater after rTMS than after sham stimulation. After 5 consecutive days of 20-min 1-Hz rTMS, bdnf mRNA expression was significantly higher in stimulated cortex than in contralateral side. The model presented herein will elucidate the molecular mechanisms of rTMS by allowing analysis of the inter-hemispheric difference in its effect.

Introduction

Repetitive transkranielle Magnetstimulation (rTMS), ein Werkzeug für die nicht-invasive Hirnstimulation und Neuromodulation, wurde bei der Behandlung von verschiedenen Bedingungen, wie die zentrale Schmerz 1,2, Depression 3, Migräne 4 und sogar Schlaganfall 5-7 angewendet. Schnell ändernden elektrischen Stroms durch die Spulen auf dem Kopf eines elektrischen Feldes auf der Hirnrinde und einer resultierenden neuronale Aktivierung induziert. Die Erregbarkeit der Großhirnrinde durch rTMS moduliert werden, die für mehr als 30 min dauern kann nach der Stimulation beendet.

Vorgeschlagene Mechanismen der rTMS Nachwirkung sind Langzeit – Potenzierung / depressionsähnlichen Effekt 8, vorübergehende Verschiebung der Ionenbilanz 9 und metabolischen Veränderungen 10. Darüber hinaus al Di Lazzaro et. legen nahe, dass eine intermittierende Theta-Burst-Stimulation der exzitatorischen synaptischen Eingaben beeinflußt Neuronen Trakt pyramidal, sowohl in der stimuliertenund der kontralateralen Hemisphäre 11.

Wesentliche Einschränkungen haben jedoch behindert Forscher aus der Umrechnung auf Bank Beweise zu klinischen Situationen. Zuerst in früheren Tierstudien wurde rTMS für Whole-Brain – Stimulation 12 verwendet. Whole-Hirnstimulation ist ziemlich verschieden von den Protokollen in Humanstudien verwendeten 9. Das andere Problem ist mit der Stimulationsdauer zusammen. Dies ist zumindest teilweise der Tatsache zuzuschreiben, dass ein wirksames Kühlsystem für kleine Spulen in der Vergangenheit nicht verfügbar war.

In den letzten Jahren haben Samen Artikel veröffentlicht worden Möglichkeiten zur Überwindung dieser Schwierigkeiten in der rTMS Experiment auf der Kleintierhirn hindeutet. Durch diesen Tiermodellen wurde gezeigt , dass die Rattenhirn auch ähnlich kortikalen Erregbarkeit Veränderungen wie in humanen in Reaktion auf niederfrequente rTMS 13 zeigt. Noch wichtiger ist, sind zellulären und molekularen Mechanismen der rTMS bei zunehmendng untersuchten Tiermodellen von rTMS verwenden. Ein Beispiel dafür ist , dass eine unterschiedliche Art von hemmenden Interneuron ist bekannt , am empfindlichsten auf intermittierenden Theta – Burst Stimulation 14 zu sein. Nagetier-Modelle von rTMS somit bieten neue Möglichkeiten für die Erkundung vielgesuchte Fragen über die molekularen Grundlagen der rTMS-induzierte Veränderungen. Wenn kleine Tiermodelle von rTMS können in mehr Laboratorien verwendet werden, kann es erheblich beschleunigen und die Forschung in diesem Bereich zu stärken.

Wir beschreiben nun , wie rTMS zur einseitigen Hemisphäre Rattenhirns anzuwenden, eine Erweiterung der früheren Arbeit 15. Stimulation induzierten Änderungen wurden ausgewertet durch Mikro Positronen-Emissions-Tomographie (PET) und mRNA unter Verwendung von Mikroarrays rTMS-induzierte Veränderungen in der stimulierten Großhirnrinde zu studieren.

Protocol

Alle Verfahren wurden die Tiere überprüft und genehmigt von der Institutional Animal Care und Use Committee von Seoul National University Hospital mit. 1. Experimenteller Aufbau Tiervorbereitung Lassen Sie männliche Sprague-Dawley-Ratten 1 Woche an ihre neue Umgebung anzupassen, bevor das Experiment beginnt. Hinweis: Obwohl 8 Wochen alten Ratten in der vorliegenden Studie verwendet wurden, kann ein Entwicklungs- oder erwachsenen Gehirn nach den Forschungshypothesen gewählt werden. …

Representative Results

Fünfzehn 8 Wochen alte männliche Sprague-Dawley-Ratten wurden für eine separate Interraterreliabilität Analyse von MT Bestimmung verwendet. Mit Palpation von Muskelzuckungen, waren die MTs erhältlich in allen Ratten und gemessen als 33,00 ± 4,21% der maximalen Stimulator Ausgang (% MSO) und 33,93 ± 0,88% MSO, die jeweils von zwei unabhängigen Forschern. Bland-Altman-Bias war -0,93, und die 95% Grenzen der Vereinbarung waren -9,13 bis 7,26%. <p class="jove_content" fo:keep-tog…

Discussion

Das primäre Ziel dieser Studie war es, ein Tiermodell der einseitigen rTMS einzuführen. Obwohl einseitige Stimulation eines der grundlegenden Merkmale des menschlichen rTMS Forschung ist, haben viele Studien nicht in kleinen Tieren angenommen. Jedoch Rotenberg et al. 15 aufgezeichnet kontralateralen MEPs mit Stimulation von 100% MT eine Figur-8 – Spule mit einem Außenlappens Durchmesser von 20 mm, während die Stimulation mit 112,5% und 133,3% MT erzeugt ipsilateral sowie kontralateralen MEP…

Offenlegungen

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

This work was supported by the Korea Research Foundation Grant funded by the Korean Government (KRF-2008-313-E00458). The authors thank Jin-Joo Lee for the technical assistance.

Materials

Homeothermic blanket with a rectal probe Harvard apparatus 507222F
Isoflurane (Forane sol.) Choongwae
Propofol (Provive Inj. 1% 20ml) Claris Lifesciences
Repetitive magnetic stimulator (Magstim Rapid2) Magstim Company Ltd
25 mm figure-of-8 coil Magstim Company Ltd 1165-00
PET-CT GE Healthcare
QIAzol Lysis Reagent Qiagen (US Patent No. 5,346,994)
RNeasy Lipid Tissue Mini Kit Qiagen 74804
RNeasy Mini Spin Columns Qiagen (Mat No. 1011708)
Agilent 2100 Bioanalyzer Agilent Technologies
Ambion Illumina RNA amplification kit Ambion
Nanodrop Spectrophotometer NanoDrop ND-1000
Illumina RatRef-12 Expression BeadChip Illumina, Inc.
Amersham fluorolink streptavidin-Cy3 GE Healthcare Bio-Sciences
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Referenzen

  1. Lefaucheur, J. P., et al. Neurogenic pain relief by repetitive transcranial magnetic cortical stimulation depends on the origin and the site of pain. J Neurol Neurosurg Psychiatry. 75 (4), 612-616 (2004).
  2. Hirayama, A., et al. Reduction of intractable deafferentation pain by navigation-guided repetitive transcranial magnetic stimulation of the primary motor cortex. Pain. 122 (1-2), 22-27 (2006).
  3. O’Reardon, J. P., et al. Efficacy and safety of transcranial magnetic stimulation in the acute treatment of major depression: a multisite randomized controlled trial. Biol Psychiatry. 62 (11), 1208-1216 (2007).
  4. Brighina, F., et al. Facilitatory effects of 1 Hz rTMS in motor cortex of patients affected by migraine with aura. Exp Brain Res. 161 (1), 34-38 (2005).
  5. Lefaucheur, J. P. Stroke recovery can be enhanced by using repetitive transcranial magnetic stimulation (rTMS). Neurophysiol Clin. 36 (3), 105-115 (2006).
  6. Khedr, E. M., Ahmed, M. A., Fathy, N., Rothwell, J. C. Therapeutic trial of repetitive transcranial magnetic stimulation after acute ischemic stroke. Neurology. 65 (3), 466-468 (2005).
  7. Fregni, F., et al. A sham-controlled trial of a 5-day course of repetitive transcranial magnetic stimulation of the unaffected hemisphere in stroke patients. Stroke. 37 (8), 2115-2122 (2006).
  8. Pascual-Leone, A., Valls-Sole, J., Wassermann, E. M., Hallett, M. Responses to rapid-rate transcranial magnetic stimulation of the human motor cortex. Brain. 117 (4), 847-858 (1994).
  9. Ridding, M. C., Rothwell, J. C. Is there a future for therapeutic use of transcranial magnetic stimulation). Nat Rev Neurosci. 8 (7), 559-567 (2007).
  10. Valero-Cabre, A., Payne, B. R., Pascual-Leone, A. Opposite impact on 14C-2-deoxyglucose brain metabolism following patterns of high and low frequency repetitive transcranial magnetic stimulation in the posterior parietal cortex. Exp Brain Res. 176 (4), 603-615 (2007).
  11. Di Lazzaro, V., et al. The physiological basis of the effects of intermittent theta burst stimulation of the human motor cortex. J Physiol. 586 (16), 3871-3879 (2008).
  12. Post, A., Keck, M. E. Transcranial magnetic stimulation as a therapeutic tool in psychiatry: what do we know about the neurobiological mechanisms. J Psychiatr Res. 35 (4), 193-215 (2001).
  13. Muller, P. A., Dhamne, S. C., Vahabzadeh-Hagh, A. M., Pascual-Leone, A., Jensen, F. E., Rotenberg, A. Suppression of motor cortical excitability in anesthetized rats by low frequency repetitive transcranial magnetic stimulation. PLoS One. 9 (3), 91065 (2014).
  14. Funke, K., Benali, A. Modulation of cortical inhibition by rTMS – findings obtained from animal models. J Physiol. 589 (18), 4423-4435 (2011).
  15. Rotenberg, A., et al. Lateralization of forelimb motor evoked potentials by transcranial magnetic stimulation in rats. Clin Neurophysiol. 121 (1), 104-108 (2010).
  16. Beom, J., Kim, W., Han, T. R., Seo, K. S., Oh, B. M. Concurrent use of granulocyte-colony stimulating factor with repetitive transcranial magnetic stimulation did not enhance recovery of function in the early subacute stroke in rats. Neurol Sci. 36 (5), 771-777 (2015).
  17. Haghighi, S. S., Green, K. D., Oro, J. J., Drake, R. K., Kracke, G. R. Depressive effect of isoflurane anesthesia on motor evoked potentials. Neurosurgery. 26, 993-997 (1990).
  18. Fishback, A. S., Shields, C. B., Linden, R. D., Zhang, Y. P., Burke, D. The effects of propofol on rat transcranial magnetic motor evoked potentials. Neurosurgery. 37 (5), 969-974 (1995).
  19. Rohde, V., Krombach, G. A., Baumert, J. H., Kreitschmann-Andermahr, I., Weinzierl, M., Gilsbach, J. M. Measurement of motor evoked potentials following repetitive magnetic motor cortex stimulation during isoflurane or propofol anaesthesia. Br J Anaesth. 91 (4), 487-492 (2003).
  20. Lee, S. A., Oh, B. M., Kim, S. J., Paik, N. J. The molecular evidence of neural plasticity induced by cerebellar repetitive transcranial magnetic stimulation in the rat brain: a preliminary report. Neurosci Lett. 575, 47-52 (2014).
  21. Fu, Y. K., et al. Imaging of regional metabolic activity by (18)F-FDG/PET in rats with transient cerebral ischemia. Appl Radiat Isot. 67 (18), 1743-1747 (2009).
  22. Silveyra, P., Catalano, P. N., Lux-Lantos, V., Libertun, C. Impact of proestrous milieu on expression of orexin receptors and prepro-orexin in rat hypothalamus and hypophysis: actions of Cetrorelix and Nembutal. Am J Physiol Endocrinol Metab. 292 (3), 820-828 (2007).
  23. Zidek, N., Hellmann, J., Kramer, P. J., Hewitt, P. G. Acute hepatotoxicity: a predictive model based on focused illumina microarrays. Toxicol Sci. 99 (1), 289-302 (2007).
  24. Hsieh, T. H., Dhamne, S. C., Chen, J. J., Pascual-Leone, A., Jensen, F. E., Rotenberg, A. A new measure of cortical inhibition by mechanomyography and paired-pulse transcranial magnetic stimulation in unanesthetized rats. J Neurophysiol. 107 (3), 966-972 (2012).
  25. Salvador, R., Miranda, P. C. Transcranial magnetic stimulation of small animals: a modeling study of the influence of coil geometry, size and orientation. Conf Proc IEEE Eng Med Biol Soc. 2009, 674-677 (2009).
  26. Parthoens, J., Verhaeghe, J., Servaes, S., Miranda, A., Stroobants, S., Staelens, S. Performance Characterization of an Actively Cooled Repetitive Transcranial Magnetic Stimulation Coil for the Rat. Neuromodulation. , (2016).
  27. Toro, R., et al. Brain size and folding of the human cerebral cortex. Cereb Cortex. 18 (10), 2352-2357 (2008).

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UnilateralRepetitive Transcranial Magnetic StimulationRTMSRat BrainMolecular MechanismsInterhemispheric DifferencesMotor ThresholdHomeothermic BlanketFigure-of-eight CoilContralateral Forepaw ContractionsWater-cooling SystemStimulation Intensity1 Hz20 HzSham Stimulation

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Beom, J., Lee, J. C., Paeng, J. C., Han, T. R., Bang, M. S., Oh, B. Repetitive Transcranial Magnetic Stimulation to the Unilateral Hemisphere of Rat Brain. J. Vis. Exp. (116), e54217, doi:10.3791/54217 (2016).
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