Yüksek frekanslı stimülasyon tarafından fare dentat Gyrus aktivasyonu için invaziv bir yöntem
Summary
Bu iletişim kuralı, farelerde güvenilir bir HFS yöntemi ayarlamak gösterilmiştir. Hipokampal dentat gyrus boyunca nöronların elektriksel olarak HFS doğrudan ve dolaylı olarak içinde vivotarafından uyarılır. Nöronal aktivite ve moleküler sinyal c-fos ve Notch1 immünfloresan boyama, sırasıyla incelenir; neurogenesis tarafından bromodeoxyuridine tahlil etiketleme sayılabilir.
Abstract
İmplante elektrotlar çeşitli beyin bölgeleri, hedefleme kullanarak elektrik yüksek frekanslı stimülasyon (HFS), çeşitli nörolojik ve psikiyatrik bozukluklar için etkili bir tedavi olarak kanıtlanmıştır. Derin beyin stimülasyonu (DBS), adı da beynin derin bölgesinde HFS klinik çalışmalarda giderek önem kazanmaktadır. Yüksek frekans (HF-DBS) DBS cerrahi alanında son ilerleme için major depresyon bozukluğu (MDD), obsesif-kompulsif bozukluk (OKB), tedavi gibi diğer durumlar için invaziv bu tekniği kullanan olasılığı yayılmaya başladı ve bu yüzden üzerinde.
Genişleyen bu göstergeler rağmen HF-DBS yararlı etkileri temel mekanizmaları gizemli kalır. Bu soru adresi için bir yaklaşım seyrek nöronlar HFS tarafından dağıtılmış altgrupları etkinleştirmek implante elektrotlar kullanmaktır. Talamus ön çekirdeği HFS klinikte dirençli epilepsi tedavisi için kullanılabilir olduğu bildirilmiştir. Temel mekanizmaları için artan neurogenesis ilgili olabilir ve nöronal aktivite değişmiş. Bu nedenle, biz fizyolojik değişiklikler fare dentat gyrus (DG) neurogenesis yanı sıra nöronal aktivite tespiti tarafından HFS işlemden önce ve sonra keşfetmek ilgilenen.
Bu makale, farelerde, DG aktivasyonu doğrudan veya dolaylı olarak ve akut veya kronik bir şekilde hedeflemek HFS için yöntemleri açıklanmaktadır. Ayrıca, c-fos ve Notch1 nöronal etkinliğini izlemek için boyama ve harekete geçirmek sinyal immünfloresan ve bromodeoxyuridine (BrdU) belirlemek için etiketleme için Beyin dilimleri hazırlanması için detaylı bir protokol açıklamaktadır HF-DBS indüksiyon sonra neurogenesis. Nöronal aktivite ve neurogenesis aktivasyonu HF-DBS tedaviden sonra doğrudan nörobiyolojik kanıt ve potansiyel terapötik yararları sağlar. Özellikle, bu yöntemi değiştirilebilir ve bazal gangliyon gibi diğer baktılar beyin bölgeleri ve belirli beyin hastalıkları kliniğinde için subthalamic bölgeleri hedeflemek için uygulanan.
Introduction
HF-DBS 1870’lerde1beri geliştirilen beyin elektriksel stimülasyon Nöroşirürji bir teknolojidir. 1980’lerin, HFS ilk Parkinson hastalığı için bir potansiyel terapötik müdahale kullanıldı ve2diğer hareket bozuklukları. Son birkaç on yıl içinde HF-DBS daha yaygın şu anda tedavi edilemez beyin bozuklukları tedavisinde geleneksel tedavi stratejisi tarafından kullanılmıştır. Özellikle, HFS elektrot, son derece etkili sonuçlar ve en az yan etkileri doğruluk artışı nedeniyle beyin bozuklukları HF-DBS tarafından tedavi sayısı önemli ölçüde son artmıştır on yıl3,4, 5. Örneğin, HF-DBS ABD Gıda ve İlaç Dairesi (FDA) tarafından Parkinson hastalığı (PD), Alzheimer tipi demans, esansiyel tremor ve diğer türleri hareket bozuklukları2,6, tedavisi için onaylanmıştır 7. PD hastalarında dopaminerjik ilaç azalır HF-DBS8sırasında % 50’e kadar. Hareket bozuklukları başarılı tedavisi yanı sıra, HF-DBS da güçlü etkileri klinik ve iyi2,9, olarak bilişsel büyütme operasyonu için psikiyatrik hastalıkların tedavisinde göstermiştir 10 , 11. bu HFS araştırma diğer psikiyatrik bozuklukların tedavisinde çok söz hastalar12sunan çeşitli aşamalarında olduğunu belirtmek gerekir.
Her ne kadar birçok çalışma odak HFS beyin13boyunca hem yerel hem de uzak etkileri vardır göstermiştir, nörolojik ve moleküler mekanizmaları etkileri zor2,14kalır. Klinikte tedavi HF-DBS genellikle Parkinson hastalığı ve kronik ağrı, vb hangi bir olasılık arasında bir HF-DBS tedavi tarafından oluşturulan geliştirme açıklamak için pek çok görüş ortaya çıkar tedavisi için uzun vadeli bir şekilde uygulanır HFS geçerli nöronal ağ etkinliğini muhtemelen implante HFS elektrot civarında aksonlar tekrarlayan bir depolarizasyon tarafından modüle olduğunu. Veya HF-DBS çıkış neurons ve öngörülen hedefler deşarj oranı değişir. Ayrıca, HF-DBS neden olabilir uzun vadeli kullanılmasının muhtemelen (LTP) ve uzun süreli depresyon (LTD), dahil olmak üzere uzun vadeli sinaptik değişiklikleri için hangi bir semptomatik iyileşme için katkıda bulunmak. Şimdiye kadar ister HFS influences hücresel düzenleyen önemli moleküler olaylar böyle işler hala net değildir yetişkin neurogenesis içinde vivoolarak. Çalışmaları birkaç satırlık HFS Rodents klinik olarak uygulanan DBS15,16benzer nöral yanıt taklit göstermiştir. HF-DBS, temel hücresel mekanizmaları bu çalışmada anlamak için biz önce bir vivo içinde HFS metodoloji farelerde bir akut (bir gün) veya kronik (beş gün) şekilde ayarlayın. İkinci olarak, bir aktivasyon analiz yöntemi kadar nöronal aktivite ve neurogenesis değişiklik bir HF-DBS teslim sonra belirlemek için ayarla.
Verilen bu sinir kök hücreleri nöronal üretiminden embriyonik gelişim sırasında bol olduğu ancak yetişkin hayatı boyunca devam eder, hipokampal subgranular bölge neurogenesis oluştuğu önemli alanlarından biridir. Neurogenesis sürecinin birçok fizyolojik ve patolojik etken etkilenir. Epileptik belirli durumlarda, hipokampal neurogenesis önemli ölçüde azalmıştır17,18‘ dir. Buna ek olarak, bir tek Elektrokonvulsif terapi dentat gyrus19nöronal üretiminde önemli ölçüde arttırabilir. Bu gözlemler elektrofizyolojik etkinliği yetişkin neurogenesis ve hipokampal nöronlar, sinaptik plastisite tür ile kritik bir rol oynamaktadır öneririz. Bu nedenle, daha fazla nöronal aktivite ve neurogenesis HF-DBS etkileri göstermek için önce hangi kaynaklanan kısa vadeli nöronal aktivite iyi bilinen bir belirtecidir hemen erken gen (IEG) c-fos immunostaining testin yapmaktayız 20deneyim. Notch1 sinyal da HFS teslimat21,22sonra sinyal harekete geçirmek izlemek için algılandı. Ayrıca, biz BrdU boyama da gliogenesis için bir işaretleyici olabilir ama Ayrıca analiz çeşitli davranış, HF-DBS indüksiyon sonra etiketleme BrdU nöronal üretiminde tespit.
Bu da çalışmanın, iki HFS metodolojileri hipokampal DG aktivasyonu doğrudan ve dolaylı olarak hedeflemek için adapte olmuşlardır. Elektrot implante DG doğrudan veya DG nöronların harekete geçirmek projeksiyonlar gönderen medial perforant yolu (s) implante. HF-DBS indüksiyon için programlanabilir bir uyarıcı fare baş üzerine sabit elektrot bir sürekli uyarılması yoluyla için sunulmaktadır. Nöronal harekete geçirmek ve neurogenesis HFS etkileri belirlemek için biz c-fos ve Notch1 ifadesi immünfloresan boyama ve hipokampal DG bölgesinde olumlu neurons BrdU dahil sayısını saptamak sonra sırasıyla, HFS tedavi. Özellikle, DG neurogenesis HF-DBS etkilerini veya doğrudan ve dolaylı stimülasyon şekilde bir akut ve kronik stimulasyon şekilde arasında sırasıyla karşılaştırılır.
Protocol
Representative Results
Discussion
HF-DBS tekniği çok güçlü bir araç 1990’lardan beri birçok nörolojik bozuklukları tedavisinde kullanılmıştır. Şimdiye kadar Simgesel Yapı HF-DBS Parkinson hastalığı ve çok dikkat ve ilgi klinik ve bilimsel topluluk hem de çekti esansiyel tremor tedavisi için işi. Devam eden HF-DBS çalışmalar bazı nörolojik ve psikiyatrik bozukluklar32,33HF-DBS’ın tedavi uygulaması için birçok grup tarafından çeşitli türleri vardır. Bu çalışma…
Declarações
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Çin hibe 31522029, 31770929 ve 31371149 (için Haitao Wu) Ulusal Doğal Bilim Vakfı tarafından desteklenen, 973 (2014CB542203) devlet anahtar geliştirme programından (için Haitao Wu) Çin ve Grant Z161100000216154 temel araştırma programı Beijing Belediye bilim ve Teknoloji Komisyonu (için Haitao Wu). Yazarlar tüm Üyeler Haitao Wu laboratuvar onların teşvik ve tartışmalar için teşekkür ederiz. Yazarlar son derece Zhenwei Liu aparatı hata ayıklama ile yardım için sana şükrediyoruz.
Materials
| Brain stereotaxic instrument | Stoelting | 51730D | Stereotactic intracranial implantation for mouse |
| Stimulator | A-M systems | Model 3800 | MultiStim 8-Channel programmable stimulator |
| Dental driller | Saeshin Precision Co., Ltd | STRONG 90 | For drilling and crainiotomy |
| Burr | Meisinger | HM1 005# | For drilling and crainiotomy |
| Digidata 1550 Digitizer | Molecular Devices | AXON 1550 | High-resolution data acquisition |
| Cryotome | Thermo Fisher Scientific | Thermo Cryotome FSE | Cutting frozen sections of specimens |
| Confocal microscope | Olympus | FV-1200 | Japan, with 20x Objective (NA 0.45) |
| Mouse surgery tools | F.S.T. | 14084-08,11254-20,16109-14 | Scissors, forceps, bone cutter, holders etc. |
| Pentobarbital sodium | R&D systems | 4579 | 20-50mg/kg for i.p. injection |
| Penicillin G | Sigma-Aldrich | P3032 | 75,000 U for i.m. injection |
| Carprofen | Sigma-Aldrich | SML1713 | 5-10mg/kg, for s.c. injection |
| 4% Paraformaldehyde (PFA) | Beijing Solarbio Sci-Tech Co. | P1110 | stocking solution for tissue fixation |
| Phosphate buffer (PBS) | Invitrogen | 10010023 | pH7.4, 500ml in stocking |
| Tissue-Tek O.C.T. compound | Sakura | 4583 | Formulation of water-soluble glycols and resins |
| anti-BrdU antibody | Abcam | ab6326 | Dilutions:1/800 |
| anti-c-fos antibody | Abcam | ab209794 | Dilutions:1/500 |
| Goat Anti-Rabbit IgG (Alexa Fluor 568) | Thermo Fisher Scientific | A11036 | Dilutions:1/500 |
| Donkey Anti-Rat IgG (Alexa Fluor 488) | Jackson ImmunoResearch | 712-546-150 | Dilutions:1/500 |
| Antifade mounting medium with DAPI | Vector Laboratories | H-1200 | Counterstaining with DAPI |
| anti-Notch1 antibody (C-20) | Santa Cruz Biotech | sc-6014 | Dilutions:1/50 |
| Donkey Anti-Goat IgG (Alexa Fluor 488) | Abcam | ab150073 | Dilutions:1/1000 |
Referências
- Perlmutter, J. S., Mink, J. W. Deep brain stimulation. Annual Review of Neuroscience. 29, 229-257 (2006).
- Lozano, A. M., Lipsman, N. Probing and regulating dysfunctional circuits using deep brain stimulation. Neuron. 77 (3), 406-424 (2013).
- Kohl, S., et al. Deep brain stimulation for treatment-refractory obsessive compulsive disorder: a systematic review. BMC Psychiatry. 14, 214 (2014).
- Schlaepfer, T. E., Bewernick, B. H., Kayser, S., Madler, B., Coenen, V. A. Rapid effects of deep brain stimulation for treatment-resistant major depression. Biological Psychiatry. 73 (12), 1204-1212 (2013).
- Fisher, R., et al. Electrical stimulation of the anterior nucleus of thalamus for treatment of refractory epilepsy. Epilepsia. 51 (5), 899-908 (2010).
- Greenberg, B. D., et al. Deep brain stimulation of the ventral internal capsule/ventral striatum for obsessive-compulsive disorder: worldwide experience. Molecular Psychiatry. 15 (1), 64-79 (2010).
- Kalia, S. K., Sankar, T., Lozano, A. M. Deep brain stimulation for Parkinson’s disease and other movement disorders. Current Opinion in Neurology. 26 (4), 374-380 (2013).
- Garcia, L., D’Alessandro, G., Bioulac, B., Hammond, C. High-frequency stimulation in Parkinson’s disease: more or less. Trends in Neurosciences. 28 (4), 209-216 (2005).
- Guercio, L. A., Schmidt, H. D., Pierce, R. C. Deep brain stimulation of the nucleus accumbens shell attenuates cue-induced reinstatement of both cocaine and sucrose seeking in rats. Behavioural Brain Research. 281, 125-130 (2015).
- Bossert, J. M., Marchant, N. J., Calu, D. J., Shaham, Y. The reinstatement model of drug relapse: recent neurobiological findings, emerging research topics, and translational research. Psychopharmacology (Berlin). 229 (3), 453-476 (2013).
- Grubert, C., et al. Neuropsychological safety of nucleus accumbens deep brain stimulation for major depression: effects of 12-month stimulation. The World Journal of Biological Psychiatry. 12 (7), 516-527 (2011).
- Lyons, M. K. Deep brain stimulation: current and future clinical applications. Mayo Clinic Proceedings. 86 (7), 662-672 (2011).
- McIntyre, C. C., Hahn, P. J. Network perspectives on the mechanisms of deep brain stimulation. Neurobiology of Disease. 38 (3), 329-337 (2010).
- Kringelbach, M. L., Green, A. L., Owen, S. L., Schweder, P. M., Aziz, T. Z. Sing the mind electric – principles of deep brain stimulation. European Journal of Neuroscience. 32 (7), 1070-1079 (2010).
- Toda, H., Hamani, C., Fawcett, A. P., Hutchison, W. D., Lozano, A. M. The regulation of adult rodent hippocampal neurogenesis by deep brain stimulation. Journal of Neurosurgery. 108 (1), 132-138 (2008).
- Selvakumar, T., Alavian, K. N., Tierney, T. Analysis of gene expression changes in the rat hippocampus after deep brain stimulation of the anterior thalamic nucleus. Journal of Visualized Experiments. (97), e52457 (2015).
- Hattiangady, B., Shetty, A. K. Implications of decreased hippocampal neurogenesis in chronic temporal lobe epilepsy. Epilepsia. 49, 26-41 (2008).
- Hattiangady, B., Rao, M. S., Shetty, A. K. Chronic temporal lobe epilepsy is associated with severely declined dentate neurogenesis in the adult hippocampus. Neurobiology of Disease. 17 (3), 473-490 (2004).
- Madsen, T. M., et al. Increased neurogenesis in a model of electroconvulsive therapy. Biological Psychiatry. 47 (12), 1043-1049 (2000).
- Feldman, L. A., Shapiro, M. L., Nalbantoglu, J. A novel, rapidly acquired and persistent spatial memory task that induces immediate early gene expression. Behavioral and Brain Functions. 6, 35 (2010).
- Feng, S., et al. Notch1 deficiency in postnatal neural progenitor cells in the dentate gyrus leads to emotional and cognitive impairment. The FASEB Journal. 31 (10), 4347-4358 (2017).
- Alberi, L., et al. Activity-induced Notch signaling in neurons requires Arc/Arg3.1 and is essential for synaptic plasticity in hippocampal networks. Neuron. 69 (3), 437-444 (2011).
- Halpern, C. H., Attiah, M. A., Tekriwal, A., Baltuch, G. H. A step-wise approach to deep brain stimulation in mice. Acta Neurochirurgica.(Wien). 156 (8), 1515-1521 (2014).
- Batra, V., Guerin, G. F., Goeders, N. E., Wilden, J. A. A General method for evaluating deep brain stimulation effects on intravenous methamphetamine self-administration. Journal of Visualized Experiments. (107), e53266 (2016).
- Fluri, F., Bieber, M., Volkmann, J., Kleinschnitz, C. Microelectrode guided implantation of electrodes into the subthalamic nucleus of rats for long-term deep brain stimulation. Journal of Visualized Experiments. (104), e53066 (2015).
- Resendez, S. L., et al. Visualization of cortical, subcortical and deep brain neural circuit dynamics during naturalistic mammalian behavior with head-mounted microscopes and chronically implanted lenses. Nature Protocols. 11 (3), 566-597 (2016).
- Paxinos, G., Franklin, K. The mouse brain in stereotaxic coordinates. The Mouse Brain in Stereotaxic Coordinates, 3rd edition. 28 (03), 6 (2007).
- McHugh, T. J., et al. Dentate gyrus NMDA receptors mediate rapid pattern separation in the hippocampal network. Science. 317 (5834), 94-99 (2007).
- Gonzalez, C., et al. Medial prefrontal cortex is a crucial node of a rapid learning system that retrieves recent and remote memories. Neurobiology of Learning and Memory. 103, 19-25 (2013).
- Gage, G. J., Kipke, D. R., Shain, W. Whole animal perfusion fixation for rodents. Journal of Visualized Experiments. (65), e3564 (2012).
- Tse, N., et al. The neuromuscular junction: measuring synapse size, fragmentation and changes in synaptic protein density using confocal fluorescence microscopy. Journal of Visualized Experiments. (94), e52220 (2014).
- Pizzolato, G., Mandat, T. Deep brain stimulation for movement disorders. Frontiers in Integrative Neuroscience. 6, 2 (2012).
- Tierney, T. S., Sankar, T., Lozano, A. M. Some recent trends and further promising directions in functional neurosurgery. Acta Neurochirurgica Supplement. 117 (117), 87-92 (2013).
- Laxton, A. W., et al. A phase I trial of deep brain stimulation of memory circuits in Alzheimer’s disease. Annals of Neurology. 68 (4), 521-534 (2010).
- Min, H. K., et al. Deep brain stimulation induces BOLD activation in motor and non-motor networks: an fMRI comparison study of STN and EN/GPi DBS in large animals. NeuroImage. 63 (3), 1408-1420 (2012).
- Kukurba, K. R., Montgomery, S. B. . RNA sequencing and analysis. 2015 (11), 951-969 (2015).
- Kawashima, T., Okuno, H., Bito, H. A new era for functional labeling of neurons: activity-dependent promoters have come of age. Frontiers in Neural Circuits. 8, 37 (2014).
- Liu, J., Solway, K., Messing, R. O., Sharp, F. R. Increased neurogenesis in the dentate gyrus after transient global ischemia in gerbils. Journal of Neuroscience. 18 (19), 7768-7778 (1998).
- Kuhn, H. G., Dickinson-Anson, H., Gage, F. H. Neurogenesis in the dentate gyrus of the adult rat: age-related decrease of neuronal progenitor proliferation. Journal of Neuroscience. 16 (6), 2027-2033 (1996).
