JoVE Journal > Behavior
Summary
Abstract
Introduction
Protocol
Results
Discussion
Disclosures
Acknowledgements
Materials
References
Please note that all translations are automatically generated. Click here for the English version.
행동분석학

Sıçan Beyin Tek Taraflı Yarımküre için Transkraniyal Manyetik Uyarım

Published: October 22, 2016
doi:
10.3791/54217
, , , , ,
1Department of Rehabilitation Medicine,Chungnam National University Hospital, Daejeon, 2Department of Biomedical Engineering,Seoul National University College of Medicine, 3Institute of Medical and Biological Engineering, Medical Research Center,Seoul National University, 4Department of Biomedical Engineering,Seoul National University Hospital, 5Department of Nuclear Medicine,Seoul National University Hospital, Seoul National University College of Medicine, 6Department of Rehabilitation Medicine,Gangwon Do Rehabilitation Hospital, 7Department of Rehabilitation Medicine,Seoul National University Hospital, Seoul National University College of Medicine

Summary

We applied repetitive transcranial magnetic stimulation (rTMS) to the unilateral hemisphere of rat brain, by placing a 25-mm figure-8 coil 1 cm lateral to the vertex on the biauricular line and angulating the coil by 45°. An in-house water cooling system was used for rTMS for more than 20 min.

Abstract

Previous rodent models of repetitive transcranial magnetic stimulation (rTMS) adopted whole-brain stimulation instead of unilateral hemispheric rTMS, which is unlike the protocols used for human subjects. We report a successful application of rTMS to the unilateral hemisphere of rat brain. The rTMS was delivered with a low-frequency (1 Hz), high-frequency (20 Hz), or sham stimulation protocol to one side of the brain by using a small 25-mm figure-8 coil. We placed the center of the coil 1 cm lateral to the vertex on the biauricular line and angulated the coil 45° to the ground to minimize a potential direct effect of rTMS on the contralateral cortex. We also used an in-house water cooling system to enable repetitive magnetic stimulation for more than 20 min, even at a 20-Hz stimulation frequency. Increases in the transcriptions of immediate early genes (Arc, Junb, and Egr2) were greater after rTMS than after sham stimulation. After 5 consecutive days of 20-min 1-Hz rTMS, bdnf mRNA expression was significantly higher in stimulated cortex than in contralateral side. The model presented herein will elucidate the molecular mechanisms of rTMS by allowing analysis of the inter-hemispheric difference in its effect.

Introduction

Tekrarlanan transkranial manyetik stimülasyon (TMU), non-invaziv beyin stimülasyonu ve nöromodülasyon için bir araç, bu tür santral ağrı 1,2, depresyon 3, migren 4, ve hatta 5-7 inme gibi çeşitli hastalıkların tedavisinde uygulanmaktadır. Baş serebral korteks ve sonuçtaki nöronal aktivasyon bir elektrik alanı oluşturur hızla bobinler aracılığıyla elektrik akımı değiştirerek. Serebral korteksin uyarılabilirliği stimülasyonu sona ermesinden sonra 30 dakika boyunca sürebilir rTMS'nin ile modüle edilebilir.

Sonra etkisi rTMS'nin önerilen mekanizmalar uzun vadeli potensiyalizasyon / depresyon benzeri etki 8, iyonik denge 9 geçici vardiya içerir ve metabolik 10 değiştirir. Buna ek olarak, Di Lazzaro ve diğ. aralıklı teta-burst stimülasyon uyarılmış, hem yolu nöronlar piramidal uyarıcı sinaptik girişi de etkiler düşündürmektedirve kontralateral hemisfer 11.

Önemli sınırlamalar, ancak klinik durumlara üzerinde tezgah kanıt çeviri araştırmacılar engellemiştir. İlk olarak, daha önceki hayvan çalışmalarında, TMU tüm beyin uyarımı 12 kullanılmıştır. Tüm beyin stimülasyonu insan çalışmalarında 9 kullanılan protokoller oldukça farklıdır. Diğer sorun stimülasyon süresi ile ilgilidir. Bu en azından kısmen atfedilebilir etkili bir soğutma sistemi geçmişte küçük bobinler için kullanılamaz olduğu gerçeği etmektir.

Son yıllarda, seminal makaleler küçük hayvan beyni üzerinde rTMS deneyde bu zorlukları aşmak için yollar düşündüren yayınlanmıştır. Bu hayvan modelleri ile, sıçan beyin de düşük frekanslı rTMS'nin 13 tepki olarak insan benzer kortikal uyarılma değişikliklerin varlığı ortaya çıktı. Daha da önemlisi, rTMS'nin hücresel ve moleküler mekanizmalar giderek bei olanng rTMS'nin hayvan modelleri kullanılarak incelenmiştir. Bir mesele inhibitör ayrı bir tip aralıklı teta patlama stimülasyonu 14 en hassas olduğu bilinen olmasıdır. rTMS'nin Kemirgen modelleri, böylece, rTMS kaynaklı değişimlerin moleküler temelleri çok aranan soruları keşfetmek için yeni fırsatlar sunuyor. rTMS'nin küçük hayvan modelleri daha laboratuvarlarda kullanılan edilebilir ise, büyük ölçüde hızlandırmak ve bu alandaki araştırmaları güçlendirebilir.

Biz şimdi sıçan beyninde, önceki çalışmaların 15 bir uzantısı tek taraflı yarımkürede shamı nasıl uygulanacağını açıklar. Uyarım kaynaklı değişiklikler uyarılmış serebral korteks rTMS kaynaklı değişiklikleri incelemek için mikro-pozitron emisyon tomografisi (PET) ve mRNA mikrodiziler kullanılarak değerlendirildi.

Protocol

hayvanları kullanarak prosedürlerin tamamı gözden geçirilmiş ve Seul Ulusal Üniversitesi Hastanesi Kurumsal Hayvan Bakım ve Kullanım Kurulu tarafından kabul edildi. 1. Deney Düzeneği Hayvan hazırlanması deney başlamadan önce yeni çevrelerine uyum erkek Sprague-Dawley sıçanlar 1 hafta izin verin. NOT: 8 haftalık sıçan bu çalışmada kullanılan olmasına rağmen, bir gelişmekte olan veya yetişkin beyin araştırma hipotezleri göre seçilebilir. <…

Representative Results

Onbeş 8 haftalık erkek Sprague-Dawley sıçanları MT tayini ayrı bir arası güvenilirlik analizi için kullanıldı. kas seğirmesi palpe kullanarak, MTS iki bağımsız araştırmacı tarafından, tüm sıçanlarda elde sırasıyla 33.00 ± 4.21% maksimal stimülatör çıkışı (% MSO) ve 33.93 ± 0.88,% MSO olarak ölçülmüştür. Bland-Altman önyargı -0,93 oldu ve anlaşmanın% 95 limitleri 7.26% ile -9.13 idi. (…

Discussion

Bu çalışmanın temel amacı tek taraflı rTMS'nin bir hayvan modeli tanıtmak oldu. tek taraflı uyarım, insan rTMS araştırmanın en temel özelliklerinden biri olmakla birlikte, birçok çalışmada küçük hayvanlar bunu kabul değil. 112.5 ve% 133.3,% MT ile uyarılması aynı taraftaki hem de karşı taraftaki MEP'ler üretilen ise Ancak Rotenberg ve ark., 15, 20 mm'lik bir dış çapa sahip bir lob şekil-8 bobin kullanılarak% 100 MT stimülasyonu ile karşı MEP'le…

Disclosures

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

This work was supported by the Korea Research Foundation Grant funded by the Korean Government (KRF-2008-313-E00458). The authors thank Jin-Joo Lee for the technical assistance.

Materials

Homeothermic blanket with a rectal probe Harvard apparatus 507222F
Isoflurane (Forane sol.) Choongwae
Propofol (Provive Inj. 1% 20ml) Claris Lifesciences
Repetitive magnetic stimulator (Magstim Rapid2) Magstim Company Ltd
25 mm figure-of-8 coil Magstim Company Ltd 1165-00
PET-CT GE Healthcare
QIAzol Lysis Reagent Qiagen (US Patent No. 5,346,994)
RNeasy Lipid Tissue Mini Kit Qiagen 74804
RNeasy Mini Spin Columns Qiagen (Mat No. 1011708)
Agilent 2100 Bioanalyzer Agilent Technologies
Ambion Illumina RNA amplification kit Ambion
Nanodrop Spectrophotometer NanoDrop ND-1000
Illumina RatRef-12 Expression BeadChip Illumina, Inc.
Amersham fluorolink streptavidin-Cy3 GE Healthcare Bio-Sciences
DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

  1. Lefaucheur, J. P., et al. Neurogenic pain relief by repetitive transcranial magnetic cortical stimulation depends on the origin and the site of pain. J Neurol Neurosurg Psychiatry. 75 (4), 612-616 (2004).
  2. Hirayama, A., et al. Reduction of intractable deafferentation pain by navigation-guided repetitive transcranial magnetic stimulation of the primary motor cortex. Pain. 122 (1-2), 22-27 (2006).
  3. O’Reardon, J. P., et al. Efficacy and safety of transcranial magnetic stimulation in the acute treatment of major depression: a multisite randomized controlled trial. Biol Psychiatry. 62 (11), 1208-1216 (2007).
  4. Brighina, F., et al. Facilitatory effects of 1 Hz rTMS in motor cortex of patients affected by migraine with aura. Exp Brain Res. 161 (1), 34-38 (2005).
  5. Lefaucheur, J. P. Stroke recovery can be enhanced by using repetitive transcranial magnetic stimulation (rTMS). Neurophysiol Clin. 36 (3), 105-115 (2006).
  6. Khedr, E. M., Ahmed, M. A., Fathy, N., Rothwell, J. C. Therapeutic trial of repetitive transcranial magnetic stimulation after acute ischemic stroke. Neurology. 65 (3), 466-468 (2005).
  7. Fregni, F., et al. A sham-controlled trial of a 5-day course of repetitive transcranial magnetic stimulation of the unaffected hemisphere in stroke patients. Stroke. 37 (8), 2115-2122 (2006).
  8. Pascual-Leone, A., Valls-Sole, J., Wassermann, E. M., Hallett, M. Responses to rapid-rate transcranial magnetic stimulation of the human motor cortex. Brain. 117 (4), 847-858 (1994).
  9. Ridding, M. C., Rothwell, J. C. Is there a future for therapeutic use of transcranial magnetic stimulation). Nat Rev Neurosci. 8 (7), 559-567 (2007).
  10. Valero-Cabre, A., Payne, B. R., Pascual-Leone, A. Opposite impact on 14C-2-deoxyglucose brain metabolism following patterns of high and low frequency repetitive transcranial magnetic stimulation in the posterior parietal cortex. Exp Brain Res. 176 (4), 603-615 (2007).
  11. Di Lazzaro, V., et al. The physiological basis of the effects of intermittent theta burst stimulation of the human motor cortex. J Physiol. 586 (16), 3871-3879 (2008).
  12. Post, A., Keck, M. E. Transcranial magnetic stimulation as a therapeutic tool in psychiatry: what do we know about the neurobiological mechanisms. J Psychiatr Res. 35 (4), 193-215 (2001).
  13. Muller, P. A., Dhamne, S. C., Vahabzadeh-Hagh, A. M., Pascual-Leone, A., Jensen, F. E., Rotenberg, A. Suppression of motor cortical excitability in anesthetized rats by low frequency repetitive transcranial magnetic stimulation. PLoS One. 9 (3), 91065 (2014).
  14. Funke, K., Benali, A. Modulation of cortical inhibition by rTMS – findings obtained from animal models. J Physiol. 589 (18), 4423-4435 (2011).
  15. Rotenberg, A., et al. Lateralization of forelimb motor evoked potentials by transcranial magnetic stimulation in rats. Clin Neurophysiol. 121 (1), 104-108 (2010).
  16. Beom, J., Kim, W., Han, T. R., Seo, K. S., Oh, B. M. Concurrent use of granulocyte-colony stimulating factor with repetitive transcranial magnetic stimulation did not enhance recovery of function in the early subacute stroke in rats. Neurol Sci. 36 (5), 771-777 (2015).
  17. Haghighi, S. S., Green, K. D., Oro, J. J., Drake, R. K., Kracke, G. R. Depressive effect of isoflurane anesthesia on motor evoked potentials. Neurosurgery. 26, 993-997 (1990).
  18. Fishback, A. S., Shields, C. B., Linden, R. D., Zhang, Y. P., Burke, D. The effects of propofol on rat transcranial magnetic motor evoked potentials. Neurosurgery. 37 (5), 969-974 (1995).
  19. Rohde, V., Krombach, G. A., Baumert, J. H., Kreitschmann-Andermahr, I., Weinzierl, M., Gilsbach, J. M. Measurement of motor evoked potentials following repetitive magnetic motor cortex stimulation during isoflurane or propofol anaesthesia. Br J Anaesth. 91 (4), 487-492 (2003).
  20. Lee, S. A., Oh, B. M., Kim, S. J., Paik, N. J. The molecular evidence of neural plasticity induced by cerebellar repetitive transcranial magnetic stimulation in the rat brain: a preliminary report. Neurosci Lett. 575, 47-52 (2014).
  21. Fu, Y. K., et al. Imaging of regional metabolic activity by (18)F-FDG/PET in rats with transient cerebral ischemia. Appl Radiat Isot. 67 (18), 1743-1747 (2009).
  22. Silveyra, P., Catalano, P. N., Lux-Lantos, V., Libertun, C. Impact of proestrous milieu on expression of orexin receptors and prepro-orexin in rat hypothalamus and hypophysis: actions of Cetrorelix and Nembutal. Am J Physiol Endocrinol Metab. 292 (3), 820-828 (2007).
  23. Zidek, N., Hellmann, J., Kramer, P. J., Hewitt, P. G. Acute hepatotoxicity: a predictive model based on focused illumina microarrays. Toxicol Sci. 99 (1), 289-302 (2007).
  24. Hsieh, T. H., Dhamne, S. C., Chen, J. J., Pascual-Leone, A., Jensen, F. E., Rotenberg, A. A new measure of cortical inhibition by mechanomyography and paired-pulse transcranial magnetic stimulation in unanesthetized rats. J Neurophysiol. 107 (3), 966-972 (2012).
  25. Salvador, R., Miranda, P. C. Transcranial magnetic stimulation of small animals: a modeling study of the influence of coil geometry, size and orientation. Conf Proc IEEE Eng Med Biol Soc. 2009, 674-677 (2009).
  26. Parthoens, J., Verhaeghe, J., Servaes, S., Miranda, A., Stroobants, S., Staelens, S. Performance Characterization of an Actively Cooled Repetitive Transcranial Magnetic Stimulation Coil for the Rat. Neuromodulation. , (2016).
  27. Toro, R., et al. Brain size and folding of the human cerebral cortex. Cereb Cortex. 18 (10), 2352-2357 (2008).

Tags

UnilateralRepetitive Transcranial Magnetic StimulationRTMSRat BrainMolecular MechanismsInterhemispheric DifferencesMotor ThresholdHomeothermic BlanketFigure-of-eight CoilContralateral Forepaw ContractionsWater-cooling SystemStimulation Intensity1 Hz20 HzSham Stimulation

Play Video
PDF
DOI
DOWNLOAD MATERIALS LIST
Cite This Article
Beom, J., Lee, J. C., Paeng, J. C., Han, T. R., Bang, M. S., Oh, B. Repetitive Transcranial Magnetic Stimulation to the Unilateral Hemisphere of Rat Brain. J. Vis. Exp. (116), e54217, doi:10.3791/54217 (2016).
Download Citation
Reprints and Permissions

View Video

✖

To prove you're not a robot, please enter the text in the image below

CAPTCHA Image
Play CAPTCHA Audio
Refresh Image