[Platzierung von extrakraniellen Stimulationselektroden und Messung des zerebralen Blutflusses und intrakranieller elektrischer Felder bei anästhesierten Mäusen

Die transkranielle Elektrostimulation (tES; mit Sinuswellenstimulation, tACS) ist ein gängiger, externer, nicht-invasiver Ansatz zur Neuromodulation des Gehirns ^1,2. Zuvor stellten wir die Hypothese auf, dass tES (und insbesondere tACS) bei bestimmten Dosen den zerebralen Blutfluss (CBF) in den darunter liegenden Hirnregionen erhöhen kann³. Ferner kann eine Dosis-Wirkungs-Beziehung zwischen entweder dem angelegten externen Strom oder dem intrakraniellen elektrischen Feld und den resultierenden CBF-Reaktionen bestehen. Die meisten klinischen Stimulationsprotokolle haben sich jedoch auf ein maximal angenehmes Stimulationsniveau der Haut (d. h. ~ 2 mA) für geplante Zeiträume (d. h. 30-45 Minuten) als Behandlungsprotokoll konzentriert ^4,5. Bei Nagetieren ist es möglich, mit invasiven, extrakraniellen Hirnelektroden, die direkt auf den Schädel aufgebracht werden, die durch tES⁶ induzierten elektrischen Felder im Gehirn zu untersuchen. Das Ziel dieses Ansatzes ist es daher, die Auswirkungen der Intensität von tACS bei relevanten Frequenzen auf CBF-Veränderungen in Bezug auf die Dosis-Wirkungs-Beziehung zu bestimmen. Diese Dosis-Wirkungs-Kurve basiert auf einer kurzen physiologischen Biomarker-direkten Messung des CBF-in Bezug auf das elektrische Feld, das auf das Gehirn ausgeübt wird³. Wir haben bereits gezeigt, dass es bei größeren Amplituden, die typischerweise außerhalb des Bereichs der elektrischen Felder im Gehirn liegen, die klinisch durch tACS induziert werden, eine nahezu lineare Korrelation zwischen dem induzierten elektrischen Feld und dem CBF im Kortex^{gibt 3}. Eine Stimulation mit geringerem Feld (d. h. 1-5 mV/mm Intensität) kann jedoch für den Einsatz beim Menschen relevanter und praktikabler sein. Daher haben wir unsere Techniken modifiziert, um kleinere CBF-Veränderungen zu erkennen.

In dieser Arbeit wird ein Protokoll zur Analyse der Auswirkungen von tES-Wechselströmen (tACS) mit geringerer Feldstärke auf CBF (d. h. 0,5-2,0 mA Strom, 1-5 mV/mm elektrisches Feld) beschrieben, die von wachen Nagetieren toleriert werden können⁵. Dieses Protokoll beinhaltet die Verwendung von neuartiger Laser-Speckle-Bildgebung während der tACS sowie von zwei intrakraniellen Glaselektroden, um sowohl die Ausbreitung des aktiven tACS im Gehirn (wie vom CBF überwacht) als auch die intrakranielle elektrische Feldintensität zu bestimmen, die sowohl als Diagramm als auch als tatsächliches experimentelles Foto gezeigt wird (Abbildung 1). Es gibt viele mögliche physiologische Wirkungen von tES im Gehirn, einschließlich direkter neuronaler Modulation, neuronaler Plastizität und Astrozytenaktivierung ^7,8. Obwohl der CBF mit tDCS ^9,10 gemessen wurde, waren diese Messungen langsam, indirekt und unzureichend, um die Dosis-Wirkungs-Funktion im Gehirn zu beurteilen. Daher können wir durch die Verwendung geeigneter Kurzzeit-Biomarker (d. h. CBF, elektrische Felder) und schneller Ein-/Aus-Sequenzen von tACS die Dosis-Wirkungs-Funktion genauer abschätzen. Darüber hinaus können wir verschiedene Techniken zur Messung des CBF anwenden, darunter sowohl fokale Laser-Doppler-Sonden (LD) als auch Laser-Speckle-Imaging (LSI) mit definierten Regionen von Interesse.

Abbildung 1: Diagramm der transkraniellen Stimulation und fotografisches Beispiel. (A) Diagramm des Aufbaus der transkraniellen Stimulation. Das Diagramm zeigt einen Mäuseschädel mit koronalen und sagittalen Nähten. Die transkraniellen Elektroden werden lateral und symmetrisch auf dem Schädel platziert und mit chirurgischem Kleber und leitfähiger Paste zwischen den Elektroden und dem Schädel befestigt. Diese Elektroden sind mit einem für den Menschen kompatiblen Konstantstrom-Stimulationsgerät verbunden, das die Frequenz, Amplitude und Dauer der Stimulation festlegen kann. Zur Beurteilung der intrakraniellen elektrischen Felder werden bilaterale Glaselektroden (~2 MΩ) in der Großhirnrinde (d.h. innerhalb von 1 mm des inneren Aspekts des Schädels durch kleine Gratlöcher) platziert, die mit Mineralöl versiegelt sind und AgCl-Gründe im Nackenmuskel aufweisen (dargestellt als größere Drähte in der Mitte, die in das subkutane Halsgewebe eingegraben sind). Diese Glaselektroden sind mit einem Gleichstromverstärker verbunden, und ihre Ausgänge werden über einen Digitizer mit mindestens vier Kanälen aufgezeichnet. Für Aufnahmen werden auch bilaterale Laser-Doppler-Sonden auf dem Schädel platziert. Der gesamte Schädel wird entweder mit einem Laser-Speckle-Imaging-Gerät oder einer hochauflösenden (mindestens 1.024 x 1.024 Pixel, 12-14 Bit Pixeltiefe) gekühlten Kamera zur intrinsischen optischen Signaldetektion abgebildet. Die Hämoglobin-Isosbestfrequenz wird typischerweise (d. h. 562 nm) für die Beleuchtung für die Blutflussbildgebung gewählt. (B) Eine Nahaufnahme eines tatsächlichen Experiments, das die bilateralen Laser-Doppler-Sonden (links), die (bilateralen) intrakraniellen Glasaufzeichnungs-Mikroelektroden, die durch die Bohrlöcher platziert sind, und die tACS-Stimulationselektroden seitlich zeigt. Abkürzung: tACS = transkranielle Wechselstromstimulation. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.

Um die Mechanismen zu bewerten, können wir auch Wechselwirkungen mit anderen physiologischen Prozessen untersuchen, die den CBF ebenfalls verändern, wie z.B. die K⁺-induzierte Spreading-Depolarisation¹¹. Darüber hinaus ist es auch möglich, anstelle von geplanten Sitzungen zu regelmäßigen Zeiten ein geschlossenes Kreislaufsystem zu entwickeln, das auf zusätzlichen Biomarkern für eine Vielzahl von Krankheiten basiert, wie es für die Epilepsiebehandlung^{vorgeschlagen wurde 12} (d. h. klinische Neuropace-Geräte). Zum Beispiel basiert die Closed-Loop-Hirnstimulation bei der Parkinson-Krankheit in der Regel auf den intrinsischen, abnormalen lokalen Feldpotentialen (LFPs), die dieser Krankheit innewohnen, wenn nicht genügend Dopamin (typischerweise β-Band-LFPs)¹³ vorhanden ist.