Manipulation af epileptiforme Electrocorticograms (ECoGs) og Sleep i rotter og mus ved akupunktur
Summary
This paper demonstrates the performance of acupuncture, epilepsy models, and the analysis of sleep in rodents. The acupuncture procedure and the identification of acupoints are described. Pilocarpine or pentylenetetrazol (PTZ) is used to induce epilepsy. Electrocorticogram (ECoG), electromyogram (EMG), brain temperature, and locomotor activity recordings are employed for sleep analysis.
Abstract
Ancient Chinese literature has documented that acupuncture possesses efficient therapeutic effects on epilepsy and insomnia. There is, however, little research to reveal the possible mechanisms behind these effects. To investigate the effect of acupuncture on epilepsy and sleep, several issues need to be addressed. The first is to identify the acupoints, which correspond between humans, rats, and mice. Furthermore, the depth of insertion of the acupuncture needle, the degree of needle twist in manual needle acupuncture, and the stimulation parameters for electroacupuncture (EA) need to be determined. To evaluate the effects of acupuncture on epilepsy and sleep, a feasible model of epilepsy in rodents is required. We administer pilocarpine into the left central nucleus of the amygdala (CeA) to simulate focal temporal lobe epilepsy (TLE) in rats. Intraperitoneal (IP) injection of pilocarpine induces generalized epilepsy and status epilepticus (SE) in rats. Five IP injections of pentylenetetrazol (PTZ) with a one-day interval between each injection successfully induces spontaneous generalized epilepsy in mice. Recordings of electrocorticograms (ECoGs), electromyograms (EMGs), brain temperature, and locomotor activity are used for sleep analysis in rats, while ECoGs, EMGs, and locomotor activity are employed for sleep analysis in mice. ECoG electrodes are implanted into the frontal, parietal, and contralateral occipital cortices, and a thermistor is implanted above the cerebral cortex by stereotactic surgery. EMG electrodes are implanted into the neck muscles, and an infrared detector determines locomotor activity. The criteria for categorizing vigilance stages, including wakefulness, rapid eye movement (REM) sleep, and non-REM (NREM) sleep are based on information from ECoGs, EMGs, brain temperature, and locomotor activity. Detailed classification criteria are stated in the text.
Introduction
Epilepsi er en almindelig neurologisk lidelse, hvor tilbagevendende anfald forekomme i hele patientens levetid. De fleste epileptiske gentagelser kan godt kontrolleret af antiepileptika (AED'er). Men omkring 30% af epileptiske patienter udvikler refraktær epilepsi 1. Epilepsi årsager søvn forstyrrelser, hvilket yderligere kan forværre gentagelse. Beviser viser, at epilepsi enten kan forstyrre søvn om natten eller kan forårsage overdreven søvnighed i dagtimerne 2,3. Vores tidligere undersøgelser indikerer yderligere, at epilepsi forekommer ved zeitgeber tid (ZT) 0, dvs i begyndelsen af det lys periode i lyset: mørke cyklus, falder søvn; Dette medieres af corticotropin-frigørende hormon (CRH), en homøostatisk faktor. Epilepsi på ZT13 (begyndelsen af den mørke periode) øger ekspressionen af en anden homeostatiske faktor, interleukin-1 (IL-1), hvilket øger søvn. Sleep døgnrytmer er ændret, når epilepsi forekommer ved ZT6, midt pålysperiode 4,5. På den anden side, søvnproblemer yderligere forværre progression og gentagelse af epilepsi 6. Baseret på ovennævnte beviser, prøver vi at afsløre en optimal terapeutisk metode til samtidig at styre epilepsi og forhindre søvn forstyrrelser i epilepsipatienter. Vi har tidligere vist sig, at elektroakupunktur (EA) med en 10-Hz stimulation frekvens, ved hvilken en bestemt mængde strøm afgives til acupoint gennem en nål af rustfrit stål, med succes undertrykker electrocorticogram (ECoG) epileptiske aktiviteter og epilepsi induceret søvnforstyrrelser 7 . EA med en 100-Hz stimulation frekvens forværres yderligere epileptiske aktiviteter og søvn forstyrrelser i rotter 8,9. Denne vellykkede eksperiment afhænger af tre faktorer: For det første en gennemførlig epileptisk dyremodel; dels en fremgangsmåde til søvn registrering og analyse hos gnavere; og for det tredje, den præcise udførelse af akupunktur og nøjagtigheden af acupoint locations.
Epilepsi er blevet kategoriseret i to hovedtyper: fokal epilepsi og generaliseret epilepsi. Vi er interesseret i omdrejningspunkt FLE (TLE), generaliseret epilepsi, status epilepticus (SE), og en gentagelse af spontan generaliseret epilepsi. Derfor er forskellige manipulationer anvendes til at skabe egnede epileptiske modeller for vores eksperimenter. At etablere focal TLE, er en lav dosis af pilocarpin administreret i venstre centrale kerne af amygdala (CEA). For at verificere denne model, er seks ECoG elektroder implanteret på den frontale (F1 & F2), parietal (P1 & P2), og occipital (O1 & O2) lapper i både venstre og højre hjernehalvdel, og yderligere to reference elektroder (R1 & R2) er placeret over cerebellum i begge halvkugler. En yderligere mikroinjektion guide kanyle implanteres kirurgisk i den venstre CEA (AP, 2,8 mm fra bregma; ML, 4.2 mm; DV, 7,8 mm i forhold til bregma). Koordinaterne er tilpasset fra Paxinos og Watson rotte atlas 10. Hvis omdrejningspunktet TLE succes induceres, kun optagelsen fra elektrode på venstre parietal cortex (P1), som er nær venstre CEA, bør erhverve de dominerende epilepsilignende ECoGs, med ingen væsentlige epilepsilignende ECoGs optaget fra de andre ECoG elektroder. Intraperitoneal (IP) injektioner af pilocarpin i rotter fremkalder generaliserede epilepsi og SE, men det kan være fatalt. Fem IP injektioner af pentylentetrazol (PTZ) med en en-dages interval mellem hver injektion held fremkalde spontan generaliseret epilepsi hos mus og også sikre musenes overlevelse. To wire ECoG elektroder implanteres i frontal og parietal cortex i musene at modtage ECoG signaler og kontrollere spontant tilbagevendende epilepsi.
Polysomnografi (PSG) er en omfattende fremgangsmåde til at registrere fysiologiske ændringer, som opstår under søvn, og det kan objektivt klassificere søvn i forskellige stadier af ikke-hurtige øjenbevægelser (NREM) og rAPID øjenbevægelser (REM) søvn. PSG registrerer parametre af kropsfunktioner, herunder hjernebølger (Elektroencefalogram, EEG), øjenbevægelser (electrooculogram, EOG), skeletmuskel toner (elektromyogram, EMG), hjerterytme (elektrokardiogram, EKG), og blod ilt niveauer og respiratoriske parametre. Hos rotter, registrerer vi ECoGs, EMGS, kortikal temperatur og motorisk aktivitet at klassificere årvågenhed stater i vågenhed, NREM søvn, og REM-søvn. Søvnanalyse i mus udføres under anvendelse ECoGs, EMGS og bevægelsesaktivitet resultater. Rotter kirurgisk implanteret med tre ECoG skrue elektroder på frontal, parietal og kontralaterale cerebellare cortex ved stereotaktisk kirurgi. Post-erhvervelse bestemmelse af årvågenhed tilstande (vågenhed, NREM søvn, og REM søvn) er udført i overensstemmelse med de parametre, der er erhvervet fra ECoGs, EMG, hjerne temperatur og motorisk aktivitet. Detaljerede kriterier for kategorisering dyrets adfærd hos både rotter og mus er beskrevet i than protokol.
Både rotter og mus skal bedøves med en lav dosis af zoletil (25 mg / kg), hvilket er halvdelen af den dosis af anæstetika indgives normalt under stereotaktisk kirurgi, før der udføres manuel akupunktur eller EA. Denne dosering tillader dyr at vågne op 30 til 35 min efter injektionen. Enten manuel akupunktur eller EA udføres ved begyndelsen af den mørke periode, med et konstant tidsrum på 30 minutter, og hvert dyr konsekutivt behandlet i to til tre dage. Stimulerende EA strømme leveres ind i en bestemt acupoint gennem en nål af rustfrit stål, der er indsat i acupoint. Stimulus nuværende er et tog af tofasede firkantede impulser, hvor impulsvarigheden er 150 ms og stimulering intensitet er 1 mA. Hvis der anvendes en tør nål til manuel akupunktur nålen indsættes i akupunkter spjættede 10 gange hver 5 min. Den sværeste del af manuel akupunktur eller EA er at lokalisere de akupunkter i gnavere. LOCation af akupunkter i rotter eller mus ligner deres anatomiske placering i mennesker. For eksempel er de bilaterale Fengchi akupunkter placeret 3 mm væk fra den bageste midterlinie på halsen, mellem de to ører, hvilket svarer til dens anatomiske placering i mennesker 11. Endvidere kan akupunkter med lav impedans på huden blive yderligere bekræftet. Sham akupunktur eller fingeret EA manipulation er nødvendig for akupunktur eller EA eksperimenter. Sham akupunktur eller sham EA bør udføres ved en ikke-acupoint placeret tæt på acupoint, såsom nær armhulen 12.
For med held at undersøge virkningerne af akupunktur eller EA om epilepsi og epilepsi-induceret søvn forstyrrelser, skal følgende faktorer være på plads: en mulig epileptisk dyremodel, den præcise analyse af epilepsilignende ECoGs og fornyet epilepsi, en metode til at klassificere årvågenhed stater og nøjagtig ydeevne af akupunktur eller EA i gnavere.
Protocol
Representative Results
Discussion
At vælge en gennemførlig epilepsi dyremodel er afgørende for hver forsøgsgruppe formål. Et af vores mål er at belyse effekten af EA på epilepsi undertrykkelse. EA er en alternativ medicin, som kan udvise terapeutisk virkning i epilepsi og er dokumenteret i gamle kinesiske litteratur. Men der er en mangel på videnskabelige beviser til at bevise det. For at bestemme virkningerne af EA på epilepsi, vi primært fokuseret på virkningerne af EA på mild fokal epilepsi, snarere end på svær generaliseret besla…
Offenlegungen
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
This work was supported by Ministry of Science and Technology (MOST) grants MOST104-2410-H-002-053 & NSC99-2320-B-002-026-MY3. This manuscript was edited and proofread by Mr. Brian Chang, who has experience revising professional documents.
Materials
| Drugs | |||
| Zoletil | Virbac | 50 mg/kg i.p. | |
| pilocarpine | Sigma-Aldrich | P6503 | 300 mg/kg i.p.; 1.2 mg microinjection |
| PTZ | Sigma-Aldrich | P6500 | 0.035 mg/mouse |
| polysporin | Pfizer | ||
| Surgery | |||
| ECoG electrode | Plastics One | E363/20 | screw electrode for rats |
| Pedestal | Plastics One | MS363 | |
| Cannula | Plastics One | C315G/spc | |
| Thermistor | Omega Engineering | 44008 | |
| Dental acrylic | Tempron | ||
| Stereotaxic Instrument | Stoelting | Dural arms | |
| Recording equipments | |||
| ECoG amplifier | Colbourn Instruments | V75-01 | |
| A/D Board | National Instruments | NI PCI-6033E | |
| Infrared-based motion detectors | Biobserve GmbH | custom-made | |
| ICELUS | G-System | ||
| AxoScope 10 Software | Molecular Devices | ||
| Acupuncture needs | |||
| Stainless needles | Shanghai Yanglong Medical Articles Co. | 32 gauge x 1” | |
| Functions Electrical Stimulator | I.T.O., Japan | Trio 300 | |
| AcuPen | Lhasa OMS | Pointer Excel II |
Referenzen
- Regesta, G., Tanganelli, P. Clinical aspects and biological bases of drug-resistant epilepsies. Epilepsy Res. 34 (2-3), 109-122 (1999).
- Malow, B. A., Bowes, R. J., Lin, X. Predictors of sleepiness in epilepsy patients. Sleep. 20 (12), 1105-1110 (1997).
- Stores, G., Wiggs, L., Campling, G. Sleep disorders and their relationship to psychological disturbances in children with epilepsy. Child Care Health Dev. 24 (1), 5-19 (1998).
- Yi, P. L., Tsai, C. H., Lin, J. G., Lee, C. C., Chang, F. C. Kindling stimuli delivered at different times in the sleep-wake cycle. Sleep. 27 (2), 203-212 (2004).
- Yi, P. L., Chen, Y. J., Lin, C. T., Chang, F. C. Occurrence of epilepsy at different zeitgeber times alters sleep homeostasis differently in rats. Sleep. 35 (12), 1651-1665 (2012).
- Bazil, C. W. Sleep and epilepsy. Semin Neurol. 22, 321-327 (2002).
- Yi, P. L., Lu, C. Y., Jou, S. B., Chang, F. C. Low frequency electroacupuncture suppress focal epilepsy and improves epilepsy-induced sleep disruptions. J Biomed Sci. 22, 49 (2015).
- Yi, P. L., Lu, C. Y., Cheng, C. H., Tsai, Y. F., Lin, C. T., Chang, F. C. Activation of amygdala opioid receptors by electroacupuncture of Feng-Chi (GB20) acupoints exacerbates focal epilepsy. BMC Complement Altern Med. 13, 290 (2013).
- Yi, P. L., Lu, C. Y., Cheng, C. H., Tsai, Y. F., Lin, C. T., Chang, F. C. Amygdala opioid receptors mediate the electroacupuncture-induced deteriortation of sleep disruptions in epilepsy rats. J Biomed Sci. 20, 85 (2013).
- Paxinos, G., Watson, W. . The Rat Brain in Stereotaxic Coordinates (4th edition). , (1998).
- Siu, F. K. W., Lo, S. C. L., Leung, M. C. P. Electro-acupuncture potentiates the disulphide-reducing activities of thioredoxin system by increasing thioredoxin expression in ischemia-reperfused rat brains. Life Sci. 77 (4), 386-399 (2005).
- Yi, P. L., Tsai, C. H., Lin, J. G., Liu, H. J., Chang, F. C. Effects of electroacupuncture at ‘Anmian’ (extra) acupoints on sleep activities in rats: the implication of the caudal nucleus tractus solitaries. J Biomed Sci. 11 (5), 579-590 (2004).
- Jou, S. B., Kao, I. F., Yi, P. L., Chang, F. C. Electrical stimulation of left anterior thalamic nucleus with high-frequency and low-intensity currents reduces the rate of pilocarpine-induced epilepsy in rats. Seizure. 22 (3), 221-229 (2012).
- Chang, F. C., Opp, M. R. Blockade of corticotropin-releasing hormone receptors reduces spontaneous waking in the rat. Am J Physiol Regul Integr Comp Physiol. 275 (3), 793-802 (1998).
- Cheng, C. H., Yi, P. L., Lin, J. G., Chang, F. C. Endogenous opiates in the nucleus tractus solitaries mediate electroacupuncture-induced sleep activities in rats. Evid Based Complement Alternat Med. 2011, 159209 (2011).
- Tsui, P., Leung, M. C. Comparison of the effectiveness between manual acupuncture and electro-acupuncture on patients with tennis elbow. Acupunct Electrother Res. 27 (2), 107-117 (2002).
- Napadow, V., Makris, N., Liu, J., Kettner, N. W., Kwong, K. K., Hui, K. K. Effects of electroacupuncture versus manual acupuncture on the human brain as measured by fMRI. Hum Brain Mapp. 24 (3), 193-205 (2005).
