Kronisk transkraniell elektrisk stimulering och Intracortical inspelning hos råttor
Summary
Detta detaljerade protokoll beskriver transkraniell stimulering elektrodplacering på tinningbenet för att undersöka de kort – och långsiktiga effekterna av transkraniell elektrisk stimulering i fritt rörliga råttor.
Abstract
Transkraniell elektrisk stimulering (TES) är en kraftfull och relativt enkel metod att diffust påverka hjärnans aktivitet antingen slumpmässigt eller i ett slutet kretslopp händelseutlöst sätt. Även om många studier fokuserar på möjliga fördelar och biverkningar av TES i friska och patologiska hjärnor, finns det fortfarande många grundläggande öppna frågor om verkningsmekanismen av stimulering. Därför finns det ett tydligt behov av en robust och reproducerbar metod att testa den akuta och kroniska effekterna av TES hos gnagare. TES kan kombineras med regelbundna beteendemässiga, elektrofysiologiska och imaging tekniker att undersöka neuronala nätverk i vivo. Implantation av transkraniell stimulering elektroder ålägger inte extra begränsningar på experimentell design medan det erbjuder ett mångsidigt, flexibelt verktyg för att manipulera hjärnaktivitet. Här tillhandahåller vi en detaljerad, steg för steg-protokoll för att fabricera och implantat transkraniell stimulering elektroder för att påverka hjärnans aktivitet i en temporally begränsad sätt i månader.
Introduction
Transkraniell elektrisk stimulering (TES) är en värdefull metod att påverka hjärnans aktivitet i en temporally begränsad sätt. Beroende på storlek och placering av stimulering elektroderna, TES kan påverka stora hjärnan volymer och dra in neuronala populationer diffust1,2,3. Transkraniell likström stimulering är redan medicinskt godkänd för behandling av egentlig depression4,5, och många studier fokus på visar de kognitiva effekterna av transkraniell stimulering i människor6 , 7. Dessutom lovande resultaten rapporterades om potentialen i TES kontrollera epileptiska anfall8,9.
Trots intensiv forskning finns det fortfarande många öppna frågor angående den detaljerade verkningsmekanismen, potentiella biverkningar, och det långsiktiga resultatet av att tillämpa denna metod10,11,12. Det är därför kritiskt viktigt att ha ett robust, reproducerbara protokoll för att undersöka effekterna av TES i djurmodeller. Med tanke på att många sjukdomar (t.ex., depression, epilepsi och schizofreni) kan endast undersökas utförligt i vaket djur, och arten av dessa sjukdomstillstånd brukar kräva långvarig behandling, vi tillhandahåller ett protokoll för kronisk implantation av transkraniell elektroderna hos råttor. Metoden presenteras här kan användas för beteendevetenskapliga studier eller kan kombineras med implantation av inspelning elektroder (dvsledningar, silikon sonder, juxtacellular elektroder) eller kronisk kraniala windows för elektrofysiologiska experiment och imaging studier, respektive. Beroende på experimentell design, kan tidpunkten för stimuli vara slumpmässiga eller händelseutlöst specifika beteendemässiga ledtrådar eller elektrofysiologiska kännetecken av särskilt hjärna påstår (kramper, theta svängningar)8, 11 , 13.
Det är viktigt att nämna att i motsats till den närvarande används mänskliga förhållningssätt, som använder ett förkroppsligande av elektroderna placeras på huden, här visar vi en metod som sysselsätter subkutan implantation rätt över ytan av tinningbenet, sedan råttor knappt tolerera något placeras på huden som är lättillgängligt med sina tassar.
I linje med principerna om ersättning, begränsning och förfining, kronisk pågrund av implantation, denna metod hjälper till att minska antalet djur, eftersom varje djur kan rekryteras i olika experimentella villkor för månader, vilket möjliggör användning av färre djur för att testa olika hypoteser.
I den aktuella studien, vi tillhandahåller en detaljerad, steg för steg protokoll av transkraniell stimulering elektrod tillverkning (figur 1A-B) och visar kronisk implantation av dessa elektroder över temporala ben en sex månader gammal manliga lång-Evans råtta.
Protocol
Representative Results
Discussion
Det mest kritiska steget i detta protokoll är limning av elektroden paketet på benytan. Vid felaktig tätning, en klyfta bildas mellan elektroderna och benet, och sekundära ärrvävnad kan växa till denna lucka, vilket minskar kvaliteten på stimulering. Benytan måste vara helt torr under stegen för att klibba på paketet, och när det gäller upplever instabilitet av elektroderna, måste det tas bort och ersättas med ett nytt paket att få bästa resultat.
En begränsning med denna met…
Divulgaciones
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Detta arbete fick stöd av EU-FP7-ERC-2013-Starting grant (No.337075), ‘Fart’ programmet av den ungerska akademin av vetenskaper (LP2013-62), och GINOP-2.3.2-15-2016-00018 bidraget. Vi tackar Máté Kozák för att dokumentera stimulering och inspelning elektroder och Mihály Vöröslakos för de fruktbara diskussionerna under protokoll.
Materials
| Cyanoacrylate liquid | Henkel | Loctite 401 | |
| Cyanoacrylate gel | Henkel | Loctite 454 | |
| Wire for stimulation electrodes | Phoenix Wire Inc. | 36744MHW – PTFE Microminiature Hook-Up Wire | |
| Board spacer | E-tec Interconnect | SP1-020-S378/01-55 | |
| Connector | E-tec Interconnect | P2510I-02 | |
| Tape packaging for stimulation electrodes | Nexperia | 74HC1G00GW | Tape packaging of any integrated circuit with SOT-353 case can be used |
| Grip Cement Industrial Grade | Caulk Dentsply | 675571 (powder) 675572 (solvent) | |
| Electroconductive gel | Rextra | ECG Gel | |
| Recording electrode wire | California Fine Wire Co. | .002 (50 micron) Tungsten 99.95% (CFW Material #: 100-211), HMl-Natural, cut to 3.0 inch pieces, Round, Cut length piece wire | |
| Ultrafine scissors | Hammacher Instrumente | Stainless HSB 544-09 | |
| Stainless steel tube | Vita Needle Company | 29 RW, 304SS Tubing, T.I.G. Welded and Plug | |
| High speed rotary saw | Dremel | Model # 395 | |
| Rotary saw holder | Dremel | Model # 220 | |
| Rotary saw cut-off wheel | Dremel | Model # 409 | |
| Ocular sticks | Lohmann-Rauscher | Pro-ophta Ocular Sticks | |
| Wet disinfectant | Egis | Betadine | |
| Dry disinfectant | Wagner Pharma | Reseptyl-urea | |
| Drilling machine | NSK-Nakanishi United Kingdom | Vmax35RV Pack | |
| Anchoring screws | Antrin Miniature Specialties, Inc. | 000-120×1/16 SL BIND MS SS |
Referencias
- Ozen, S., et al. Transcranial electric stimulation entrains cortical neuronal populations in rats. The Journal of neuroscience : the official journal of the Society for Neuroscience. 30 (34), 11476-11485 (2010).
- Ali, M. M., Sellers, K. K., Frohlich, F. Transcranial alternating current stimulation modulates large-scale cortical network activity by network resonance. The Journal of neuroscience : the official journal of the Society for Neuroscience. 33 (27), 11262-11275 (2013).
- Helfrich, R. F., et al. Entrainment of brain oscillations by transcranial alternating current stimulation. Current biology : CB. 24 (3), 333-339 (2014).
- Bikson, M., et al. Transcranial direct current stimulation for major depression: a general system for quantifying transcranial electrotherapy dosage. Current treatment options in neurology. 10 (5), 377-385 (2008).
- Lefaucheur, J. P., et al. Evidence-based guidelines on the therapeutic use of transcranial direct current stimulation (tDCS). Clinical neurophysiology : official journal of the International Federation of Clinical Neurophysiology. 128 (1), 56-92 (2017).
- Kuo, M. F., Nitsche, M. A. Effects of transcranial electrical stimulation on cognition. Clinical EEG and neuroscience. 43 (3), 192-199 (2012).
- Sandrini, M., Fertonani, A., Cohen, L. G., Miniussi, C. Double dissociation of working memory load effects induced by bilateral parietal modulation. Neuropsychologia. 50 (3), 396-402 (2012).
- Berenyi, A., Belluscio, M., Mao, D., Buzsaki, G. Closed-loop control of epilepsy by transcranial electrical stimulation. Science. 337 (6095), 735-737 (2012).
- Kozak, G., Berenyi, A. Sustained efficacy of closed loop electrical stimulation for long-term treatment of absence epilepsy in rats. Scientific reports. 7 (1), 6300 (2017).
- Fertonani, A., Ferrari, C., Miniussi, C. What do you feel if I apply transcranial electric stimulation? Safety, sensations and secondary induced effects. Clinical neurophysiology : official journal of the International Federation of Clinical Neurophysiology. 126 (11), 2181-2188 (2015).
- Marshall, L., Binder, S. Contribution of transcranial oscillatory stimulation to research on neural networks: an emphasis on hippocampo-neocortical rhythms. Frontiers in human neuroscience. 7, 614 (2013).
- Reato, D., Rahman, A., Bikson, M., Parra, L. C. Effects of weak transcranial alternating current stimulation on brain activity-a review of known mechanisms from animal studies. Frontiers in human neuroscience. 7, 687 (2013).
- Thut, G., Miniussi, C. New insights into rhythmic brain activity from TMS-EEG studies. Trends in cognitive sciences. 13 (4), 182-189 (2009).
- Gage, G. J., et al. Surgical implantation of chronic neural electrodes for recording single unit activity and electrocorticographic signals. Journal of visualized experiments : JoVE. (60), (2012).
- Vandecasteele, M., et al. Large-scale recording of neurons by movable silicon probes in behaving rodents. Journal of visualized experiments : JoVE. (61), e3568 (2012).
- Zayachkivsky, A., Lehmkuhle, M. J., Dudek, F. E. Long-term Continuous EEG Monitoring in Small Rodent Models of Human Disease Using the Epoch Wireless Transmitter System. Journal of visualized experiments : JoVE. (101), e52554 (2015).
- Ung, K., Arenkiel, B. R. Fiber-optic implantation for chronic optogenetic stimulation of brain tissue. Journal of visualized experiments : JoVE. (68), e50004 (2012).
- Mostany, R., Portera-Cailliau, C. A craniotomy surgery procedure for chronic brain imaging. Journal of visualized experiments : JoVE. (12), (2008).
