Установка экстракраниальных стимулирующих электродов и измерение мозгового кровотока и внутричерепных электрических полей у мышей под наркозом

Транскраниальная электростимуляция (tES; с синусоидальной стимуляцией, tACS) является распространенным внешним, неинвазивным подходом к нейромодуляции головного мозга ^1,2. Ранее мы предположили, что в определенных дозах tES (и особенно tACS) может увеличивать мозговой кровоток (CBF) в нижележащих областях мозга³. Кроме того, может существовать зависимость «доза-эффект» между внешним током или внутричерепным электрическим полем и результирующими реакциями КБФ. Тем не менее, большинство протоколов клинической стимуляции сосредоточены на максимально комфортном уровне стимуляции кожи (т.е. ~ 2 мА) в течение запланированных периодов времени (т.е. 30-45 мин) в качестве протокола лечения ^4,5. У грызунов можно использовать инвазивные экстракраниальные электроды головного мозга, прикладываемые непосредственно к черепу, для исследования электрических полей в головном мозге, индуцированных tES⁶. Следовательно, целью данного подхода является определение влияния интенсивности ТСКС на соответствующих частотах на изменения КБВ с точки зрения соотношения доза-реакция. Эта кривая «доза-реакция» основана на краткосрочных физиологических биомаркерах — прямых измерениях CBF — по отношению к электрическому полю, воздействующему на мозг³. Ранее мы показали, что при больших амплитудах, как правило, за пределами диапазона электрических полей в мозге, индуцированных tACS клинически, существует почти линейная корреляция между индуцированным электрическим полем и CBF в коре^3. Тем не менее, стимуляция меньшим полем (т.е. интенсивностью 1-5 мВ/мм) может быть более актуальной и осуществимой для использования у людей; Поэтому мы модифицировали наши методы для обнаружения небольших изменений CBF.

В данной работе описан протокол анализа влияния переменных токов tES с более низкой напряженностью поля (tACS) на НБВ (т.е. ток 0,5-2,0 мА, электрическое поле 1-5 мВ/мм), которые могут переноситься бодрствующими грызунами⁵. Этот протокол включает в себя использование новой лазерной спекл-визуализации во время tACS, а также двойных внутричерепных стеклянных электродов для определения как распространения активного tACS в головном мозге (контролируемого CBF), так и напряженности внутричерепного электрического поля, которое показано как в виде диаграммы, так и в виде фактической экспериментальной фотографии (рис. 1). Существует множество возможных физиологических эффектов tES в головном мозге, включая прямую модуляцию нейронов, нейронную пластичность и активацию астроцитов ^7,8. Несмотря на то, что CBF был измерен с помощью tDCS ^9,10, эти измерения были медленными, непрямыми и недостаточными для оценки функции «доза-реакция» в мозге. Таким образом, используя соответствующие краткосрочные биомаркеры (т.е. КБФ, электрические поля) и быстрые последовательности включения/выключения tACS, мы теперь можем более точно оценить функцию «доза-реакция». Кроме того, мы можем применять различные методы для измерения CBF, включая как фокальные лазерные допплеровские датчики (LD), так и лазерную спекл-визуализацию (LSI) с определенными областями интереса.

Рисунок 1: Диаграмма транскраниальной стимуляции и фотографический пример. (А) Схема установки транскраниальной стимуляции. На схеме показан череп мыши с венечными и сагиттальными швами. Транскраниальные электроды размещаются латерально и симметрично на черепе и крепятся с помощью хирургического клея и проводящей пасты между электродами и черепом. Эти электроды подключаются к совместимому с человеком устройству стимуляции постоянного тока, которое может задавать частоту, амплитуду и продолжительность стимуляции. Для оценки внутричерепных электрических полей двусторонние стеклянные электроды (~2 МОм) помещаются в кору головного мозга (т.е. в пределах 1 мм от внутренней стороны черепа через небольшие отверстия для заусенцев), которые герметизируются минеральным маслом и имеют основания AgCl в мышце шеи (показаны как более крупные провода в центре, погруженные в подкожную ткань шеи). Эти стеклянные электроды подключаются к усилителю постоянного тока, а их выходы записываются через дигитайзер, имеющий не менее четырех каналов. Двусторонние лазерные допплеровские зонды также помещаются на череп для записи. Весь череп также визуализируется либо с помощью лазерного устройства для визуализации, либо с помощью охлаждаемой камеры с высоким разрешением (не менее 1024 x 1024 пикселей, глубина пикселя 12-14 бит) для обнаружения собственного оптического сигнала. Частота изосбеста гемоглобина обычно выбирается (т.е. 562 нм) для освещения для визуализации кровотока. (B) Изображение реального эксперимента крупным планом, показывающее двусторонние лазерные допплеровские зонды (слева), (двусторонние) внутричерепные стеклянные регистрирующие микроэлектроды, помещенные через отверстия для заусенцев, и электроды, стимулирующие tACS латерально. Аббревиатура: tACS = транскраниальная стимуляция переменным током. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы увидеть увеличенную версию этого рисунка.

В качестве способа оценки механизмов мы также можем исследовать взаимодействия с другими физиологическими процессами, которые также изменяют CBF, такими как К⁺-индуцированная распространяющаяся деполяризация¹¹. Кроме того, вместо регулярных сеансов по расписанию можно разработать систему замкнутого цикла, основанную на дополнительных биомаркерах для различных заболеваний, как это было предложено для лечения эпилепсии¹² (т.е. клинические устройства Neuropace). Например, стимуляция мозга с замкнутым контуром при болезни Паркинсона обычно основана на внутренних, аномальных потенциалах локального поля (LFP), присущих этому заболеванию, при отсутствии достаточного количества дофамина (обычно LFP β-диапазона)¹³.