Plassering av ekstrakranielle stimulerende elektroder og måling av cerebral blodstrøm og intrakranielle elektriske felt hos anesteserte mus

Transkraniell elektrisk stimulering (tES; med sinusbølgestimulering, tACS) er en vanlig, ekstern, ikke-invasiv tilnærming til hjernens nevromodulering ^1,2. Tidligere antydet vi at ved visse doser kan tES (og spesielt tACS) øke cerebral blodstrøm (CBF) i de underliggende hjernegruppene³. Videre kan det eksistere et dose-responsforhold mellom enten den påførte eksterne strømmen eller det intrakranielle elektriske feltet og de resulterende CBF-responsene. Imidlertid har de fleste kliniske stimuleringsprotokoller fokusert på et maksimalt komfortabelt hudnivå av stimulering (dvs. ~ 2 mA) i planlagte tidsperioder (dvs. 30-45 min) som en behandlingsprotokoll ^4,5. Hos gnagere er det mulig å bruke invasive, ekstrakranielle hjerneelektroder påført direkte på skallen for å undersøke de elektriske feltene i hjernen indusert av tES⁶. Derfor er målet med denne tilnærmingen å bestemme effekten av intensiteten av tACS ved relevante frekvenser på CBF-endringer når det gjelder dose-responsforholdet. Denne dose-responskurven er basert på en kortsiktig fysiologisk biomarkør-direkte målinger av CBF-i forhold til det elektriske feltet pålagt hjernen³. Vi har tidligere vist at ved større amplituder, typisk utenfor rekkevidden av elektriske felt i hjernen indusert av tACS klinisk, er det en nesten lineær korrelasjon mellom det induserte elektriske feltet og CBF i cortex³. Imidlertid kan stimulering av mindre felt (dvs. intensitet på 1-5 mV/mm) være mer relevant og gjennomførbart for bruk hos mennesker. Derfor har vi modifisert teknikkene våre for å oppdage mindre CBF-endringer.

Dette papiret beskriver en protokoll for å analysere effekten av tES alternerende sinusstrømmer (tACS) med lavere feltstyrke på CBF (dvs. 0,5-2,0 mA strøm, 1-5 mV / mm elektrisk felt), som kan tolereres av våkne gnagere⁵. Denne protokollen innebærer bruk av ny laserspeckle-avbildning under tACS, samt doble intrakranielle glasselektroder, for å bestemme både spredningen av aktiv tACS i hjernen (som overvåket av CBF) og den intrakranielle elektriske feltintensiteten, som vises både som et diagram og et faktisk eksperimentelt fotografi (figur 1). Det er mange mulige fysiologiske effekter av tES i hjernen, inkludert direkte nevronmodulering, nevral plastisitet og astrocytaktivering ^7,8. Selv om CBF har blitt målt med tDCS ^9,10, var disse målingene langsomme, indirekte og utilstrekkelige for å vurdere dose-respons-funksjonen i hjernen. Derfor, ved å bruke passende kortsiktige biomarkører (dvs. CBF, elektriske felt) og raske av / på-sekvenser av tACS, kan vi nå estimere dose-responsfunksjonen mer nøyaktig. Videre kan vi bruke forskjellige teknikker for å måle CBF, inkludert både fokal laser dopplerprober (LD) og laser speckle imaging (LSI) med definerte interesseområder.

Figur 1: Transkranielt stimuleringsdiagram og fotografisk eksempel. (A) Diagram over transkranielt stimuleringsoppsett. Diagrammet viser en museskalle med koronale og sagittale suturer. De transkraniale elektrodene er plassert lateralt og symmetrisk på skallen og er montert med kirurgisk lim og ledende pasta mellom elektrodene og skallen. Disse elektrodene er koblet til en menneskekompatibel, konstant strømstimuleringsenhet, som kan spesifisere frekvensen, amplituden og varigheten av stimuleringen. For vurdering av intrakranielle elektriske felt plasseres bilaterale glasselektroder (~ 2 MΩ) i hjernebarken (dvs. innen 1 mm fra det indre aspektet av skallen gjennom små burrhull), og disse er forseglet med mineralolje og har AgCl-grunnlag i nakkemuskelen (vist som større ledninger i midten begravet i det subkutane nakkevevet). Disse glasselektrodene er koblet til en DC-forsterker, og deres utganger registreres gjennom en digitaliserer med minst fire kanaler. Bilaterale laser Doppler-sonder er også plassert på skallen for opptak. Hele skallen er også avbildet med enten en laserspeckle-bildebehandlingsenhet eller et høyoppløselig (minst 1,024 x 1,024 piksler, 12-14 bit pikseldybde) avkjølt kamera for egen optisk signaldeteksjon. Hemoglobin isosbestisk frekvens er vanligvis valgt (dvs. 562 nm) for belysning for blodstrømsavbildning. (B) Et nærbilde av et faktisk eksperiment, som viser de bilaterale laserdopplerprobene (til venstre), de (bilaterale) intrakraniale glassopptaksmikroelektrodene plassert gjennom burrhullene, og med tACS-stimulerende elektroder lateralt. Forkortelse: tACS = transkraniell vekselstrømstimulering. Klikk her for å se en større versjon av denne figuren.

Som en måte å vurdere mekanismene på, kan vi også forhøre interaksjoner med andre fysiologiske prosesser som også endrer CBF, for eksempel K ⁺ -indusert spredning av depolarisering¹¹. Videre, i stedet for planlagte økter til faste tider, er det også mulig å utvikle et lukket sløyfesystem basert på ytterligere biomarkører for en rekke sykdommer, som har blitt foreslått for epilepsibehandling¹² (dvs. kliniske Neuropace-enheter). For eksempel er hjernestimulering med lukket sløyfe for Parkinsons sykdom vanligvis basert på de iboende, unormale lokale feltpotensialene (LFP) som er iboende for denne sykdommen i fravær av tilstrekkelig dopamin (vanligvis LFP med β-bånd)¹³.