Summary

Forberedelse af perifere nervestimulationselekder til kronisk implantation hos rotter

Published: July 14, 2020
doi:

Summary

Eksisterende tilgange til konstruktion af kronisk implantable perifere nerve manchet elektroder til brug i små gnavere kræver ofte specialiseret udstyr og / eller højtuddannet personale. I denne protokol demonstrerer vi en enkel, billig tilgang til fremstilling af kronisk implantable manchetlektroder og demonstrerer deres effektivitet for vagus nervestimulation (VNS) hos rotter.

Abstract

Perifere nerve manchet elektroder har længe været brugt i neurovidenskab og relaterede områder til stimulering af, for eksempel, vagus eller iskiasnervenner. Flere nylige undersøgelser har vist effektiviteten af kronisk VNS i at forbedre centralnervesystemet plasticitet til at forbedre motorisk rehabilitering, udryddelse læring, og sensorisk diskrimination. Konstruktion af kronisk implantable enheder til brug i sådanne undersøgelser er udfordrende på grund af rotter ‘lille størrelse, og typiske protokoller kræver omfattende uddannelse af personale og tidskrævende mikrofabrikation metoder. Alternativt kan kommercielt tilgængelige implantable manchetlektroder købes til en betydeligt højere pris. I denne protokol præsenterer vi en enkel, billig metode til konstruktion af små, kronisk implantable perifere nerve manchet elektroder til brug i rotter. Vi validerer den korte og langsigtede pålidelighed af vores manchetlektroder ved at påvise, at VNS i ketamin/xylazine bedøvede rotter producerer fald i vejrtrækningshastigheden i overensstemmelse med aktivering af Hering-Breuer-refleksen, både på implantationstidspunktet og op til 10 uger efter implantation af udstyret. Vi demonstrerer endvidere egnetheden af manchetlektroderne til brug i kroniske stimulationsundersøgelser ved at parre VNS med faglært løftestangs presseydelse for at fremkalde motorkortikale kortplastighed.

Introduction

For nylig er efterspørgslen efter kronisk implantable manchetlektroder til stimulering af perifere nerver vokset, da undersøgelser i stigende grad viser den prækliniske nytte af denne teknik til behandling af talrige inflammatoriskesygdomme 1,,2,,3 og neurologiske lidelser4,5,6,7,8,9,10,11,12,13,14,15. Kronisk VNS, for eksempel, har vist sig at forbedre neocortisk plasticitet i en række forskellige læringssammenhænge, forbedre motor rehabilitering4,,5,,6,7,,8, udryddelselæring 10,11,12,13,14, og sensorisk diskrimination15. Kommercielt tilgængelige perifere nerve manchet elektroder er ofte forbundet med længere tider for ordreopfyldelse og relativt høje omkostninger, som kan begrænse deres tilgængelighed. Alternativt, protokoller for “in-house” fremstilling af kronisk implantable manchetlektroder fortsat begrænset, og gnaver anatomi præsenterer særlige udfordringer på grund af deres lille størrelse. Nuværende protokoller til konstruktion af manchetlektroder til kroniske gnavere eksperimenter kræver ofte brug af komplekse udstyr og teknikker, samt ekstensivt uddannet personale. I denne protokol demonstrerer vi en forenklet tilgang til manchetelektrodefabrikation baseret på tidligere offentliggjorte og udbredte metoder16,17. Vi validerer funktionaliteten af vores kronisk implanterede elektroder hos rotter ved at påvise, at på tidspunktet for manchetimplantatation omkring venstre cervikale vagusnerven, stimulation anvendes på manchetlektroder med succes produceret et ophør af vejrtrækning og fald i SpO2. Stimulering af afferente lungereceptor vagusfibre er kendt for at engagere Hering-Breuer refleks, hvor hæmning af flere respiratoriske kerner i hjernestammen resulterer i undertrykkelse inspiration18. Således ophør af vejrtrækning i overensstemmelse med Hering-Breuer refleks, og den deraf følgende fald i SpO2, giver en enkel test for korrekt elektrode implantation og manchet funktion i bedøvet rotter. For at validere den langsigtede funktionalitet af kronisk implanterede manchetlektroder blev refleksresponser målt på implantationstidstidstidstidserne og sammenlignet med de responser, der blev opnået hos de samme dyr seks uger efter implantationen. En anden gruppe rotter blev implanteret med VNS manchetlektroder efter adfærdstræning på en løftestang presserende opgave. I disse rotter, VNS parret med korrekt opgave ydeevne produceret reorganisering af kortikale motor kort, i overensstemmelse med tidligere offentliggjorteundersøgelser 19,20,21,22. På tidspunktet for motorkortikisk kortlægning under anæstesi, som fandt sted 5-10 uger efter enhed implantation, vi yderligere valideret manchet funktion i VNS-behandlede dyr ved at bekræfte, at VNS held induceret et ophør af vejrtrækning og en større end 5% fald i SpO2.

De nyligt offentliggjorte protokoller fra Childs et al.17 og Rios et al.16 giver et velvalideret udgangspunkt for en forenklet manchetelektrodefabrikationsmetode, da denne populære metode er blevet udnyttet af flere laboratorier, der gennemfører kroniske VNS-studier hos gnavere1,2,3,4,,5, 6,7,,88,9,10,11. Den oprindelige metode indebærer flere højpræcisionstrin til at manipulere de fine mikrowirer, således at manchetlektrodefabrikation tager over en time at gennemføre, og omfattende træning til at udføre pålideligt. Den forenklede tilgang, der er beskrevet her, kræver betydeligt færre materialer og værktøjer og kan gennemføres på under en time af minimalt uddannet personale.

Protocol

Alle procedurer, der er beskrevet i denne protokol udføres i overensstemmelse med NIH Guide for pleje og brug af laboratoriedyr og blev godkendt af den institutionelle Animal Care and Use Committee of The University of Texas i Dallas. 1. Stimulerende manchetlektrode fabrikation Gør manchetslangen klar. Brug et barberblad, skære et stykke polymer slange 2,5 mm i længden. Indsæt vicepperspidser eller en papirclips gennem slangen, og brug klingen til at lave en spalte på l…

Representative Results

Vagus nerve manchet elektroder og hovedhætter blev kronisk implanteret i rotter i henhold til tidligere offentliggjorte kirurgiskeprocedurer 17,19,,20,21,22. Før implantationen blev impedans ved 1 kHz målt over manchetledningerne med manchetslangen nedsænket i saltvand (impedans = 1,2 ± 0,17 kΩ [gennemsnit ± std]; N = 9). Kun manchetter med impedanser m…

Discussion

Her beskriver vi en enkel, billig tilgang til samling af kronisk implantable stimulerende manchetlektroder til brug i gnavere, lette prækliniske undersøgelser af denne nye behandling. Denne forenklede metode kræver ingen specialiseret uddannelse eller udstyr, og bruger et lille antal værktøjer og forsyninger, der er let tilgængelige for de fleste forskningslaboratorier, hvilket reducerer både de monetære og lønomkostninger enhed fremstilling i forhold til andretilgange 16,<sup …

Declarações

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

Dette arbejde blev finansieret af University of Texas i Dallas og UT Board of Regents. Vi takker Solomon Golding, Bilaal Hassan, Marghi Jani og Ching-Tzu Tseng for teknisk assistance.

Materials

Biocompatible polyurethane-based polymer tubing, 0.080" OD x 0.040" ID Braintree Scientific MRE080 36 FT
Dissecting microscope AM Scopes #SM-6T-FRL
Fine Serrated Scissors, straight, 22mm cutting edge Fine Science Tools #14058-09 for cutting Pt/Ir wire and suture thread
Forceps, #5 Dumont forceps, straight, 11 cm, 0.1 x 0.06 mm tip Fine Science Tools #11626-11
Forceps, ceramic tipped forceps, 0.3 mm x 30 mm tips Electron Microscopy Sciences #78127-71
Gold Pins, PCB Press Fit Socket Mill-Max #1001-0-15-15-30-27-04-0 or similar small pins for connecting cuff leads to headcap
Isobutane lighter BIC #LCP21-AST for de-insulating Pt/Ir wire
Micro strip connector with latch, 4-pin Omnetics A24002-004 / PS1-04-SS-LT
Pipette tip, 10 uL VWR 89079-464
Platinum-Iridium (90/10%) Wire, 0.001" (diameter) x 9 strands, PTFE insulated Sigmund Cohn 10IR9/49T
Razor Blade, Single Edge, Surgical Carbon Steel No.9 VWR #55411-050 for cutting MicroRenathane tubing
Sewing needle, ca. 4.0 cm length x 0.7 mm diameter (size 6-7) Singer 00276 Smaller needle for threading Pt/Ir wire
Sewing needle, ca. 4.5 cm length x 0.8 mm diameter (size 2-3) Singer 00276 Larger needle for pinning cuff during assembly and for threading suture
Small foam board Juvo+/Amazon B07C9637SJ for fabrication platform; our dimensions are ca. 2.5" x 3.5" x 1" (L x W x H)
Solder, multicore lead-free, 0.38mm diameter Loctite/Multicore #796037
Soldering station Weller WES51 or similar soldering iron compatible with long conical tips (this part has been discontinued)
Soldering tip, long conical, 0.01" / 0.4 mm Weller 1UNF8
Suture, nonabsorbable braided silk ,size 6/0 Fine Science tools #18020-60
UV (405 nm) spot light Henkel/Loctite #2182207
UV Light Cure Adhesive 25 ml Henkel/Loctite AA 3106 or similar biocompatible UV cure adhesive
Wire wrapping wire, 30 AWG Digikey K396-ND

Referências

  1. Koopman, F. A., et al. Vagus nerve stimulation inhibits cytokine production and attenuates disease severity in rheumatoid arthritis. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. , (2016).
  2. Levine, Y. A., et al. Neurostimulation of the cholinergic anti-inflammatory pathway ameliorates disease in rat collagen-induced arthritis. PLoS One. , (2014).
  3. Zhang, Y., et al. Chronic vagus nerve stimulation improves autonomic control and attenuates systemic inflammation and heart failure progression in a canine high-rate pacing model. Circulation: Heart Failure. , (2009).
  4. Ganzer, P. D., et al. Closed-loop neuromodulation restores network connectivity and motor control after spinal cord injury. Elife. , (2018).
  5. Hays, S. A., et al. Vagus nerve stimulation during rehabilitative training enhances recovery of forelimb function after ischemic stroke in aged rats. Neurobiology of Aging. , (2016).
  6. Khodaparast, N., et al. Vagus nerve stimulation delivered during motor rehabilitation improves recovery in a rat model of stroke. Neurorehabilitation and Neural Repair. , (2014).
  7. Meyers, E. C., et al. Vagus nerve stimulation enhances stable plasticity and generalization of stroke recovery. Stroke. , (2018).
  8. Hays, S. A., et al. Vagus nerve stimulation during rehabilitative training improves functional recovery after intracerebral hemorrhage. Stroke. , (2014).
  9. Farrand, A., et al. Vagus nerve stimulation improves locomotion and neuronal populations in a model of Parkinson’s disease. Brain Stimulationation. , (2017).
  10. Souza, R. R., et al. Vagus nerve stimulation reverses the extinction impairments in a model of PTSD with prolonged and repeated trauma. Stress. , (2019).
  11. Noble, L. J., Souza, R. R., McIntyre, C. K. Vagus nerve stimulation as a tool for enhancing extinction in exposure-based therapies. Psychopharmacology. , (2019).
  12. Childs, J. E., Kim, S., Driskill, C. M., Hsiu, E., Kroener, S. Vagus nerve stimulation during extinction learning reduces conditioned place preference and context-induced reinstatement of cocaine seeking. Brain Stimulationation. , (2019).
  13. Peña, D. F., Engineer, N. D., McIntyre, C. K. Rapid remission of conditioned fear expression with extinction training paired with vagus nerve stimulation. Biological Psychiatry. , (2013).
  14. Childs, J. E., DeLeon, J., Nickel, E., Kroener, S. Vagus nerve stimulation reduces cocaine seeking and alters plasticity in the extinction network. Learning & Memory. , (2017).
  15. Engineer, C. T., et al. Temporal plasticity in auditory cortex improves neural discrimination of speech sounds. Brain Stimulationation. , (2017).
  16. Rios, M., et al. Protocol for Construction of Rat Nerve Stimulation Cuff Electrodes. Methods Protoc. , (2019).
  17. Childs, J. E., et al. Vagus nerve stimulation as a tool to induce plasticity in pathways relevant for extinction learning. Journal of Visualized Experiments. , (2015).
  18. Paintal, A. S. Vagal sensory receptors and their reflex effects. Physiological reviews. , (1973).
  19. Porter, B. A., et al. Repeatedly Pairing Vagus Nerve Stimulation with a Movement Reorganizes Primary Motor Cortex. Cerebral Cortex. 22, 2365-2374 (2011).
  20. Morrison, R. A., et al. Vagus nerve stimulation intensity influences motor cortex plasticity. Brain Stimulationation. , (2018).
  21. Hulsey, D. R., et al. Norepinephrine and serotonin are required for vagus nerve stimulation directed cortical plasticity. Exp. Neurol. , (2019).
  22. Hulsey, D. R., et al. Reorganization of Motor Cortex by Vagus Nerve Stimulation Requires Cholinergic Innervation. Brain Stimulation. 9, 174-181 (2016).
  23. Bouverot, P., Crance, J. P., Dejours, P. Factors influencing the intensity of the breuer-hering inspiration-inhibiting reflex. Respiration Physiology. , (1970).
  24. Fialova, E., Vizek, M., Palecek, F. Inflation reflex in the rat. Physiologia Bohemoslov. , (1975).
  25. Hays, S. A., et al. The bradykinesia assessment task: An automated method to measure forelimb speed in rodents. Journal of Neuroscience Methods. , (2013).
  26. Kim, H., et al. Cuff and sieve electrode (CASE): The combination of neural electrodes for bi-directional peripheral nerve interfacing. Journal of Neuroscience Methods. , (2020).
  27. González-González, M. A., et al. Thin Film Multi-Electrode Softening Cuffs for Selective Neuromodulation. Scientific Reports. , (2018).
  28. Thakur, R., Nair, A. R., Jin, A., Fridman, G. Y. Fabrication of a Self-Curling Cuff with a Soft, Ionically Conducting Neural Interface. Proceedings of the Annual International Conference of the IEEE Engineering in Medicine and Biology Society, EMBS. , (2019).
  29. Bucksot, J., et al. Flat electrode contacts for vagus nerve stimulation. PLoS One. 14, (2019).
  30. El Tahry, R., et al. Repeated assessment of larynx compound muscle action potentials using a self-sizing cuff electrode around the vagus nerve in experimental rats. Journal of Neuroscience Methods. , (2011).
  31. Bonaz, B., Sinniger, V., Pellissier, S. Anti-inflammatory properties of the vagus nerve: potential therapeutic implications of vagus nerve stimulation. Journal of Physiology. , (2016).
check_url/pt/61128?article_type=t

Play Video

Citar este artigo
Sanchez, C. A., Brougher, J., Rahebi, K. C., Thorn, C. A. Preparation of Peripheral Nerve Stimulation Electrodes for Chronic Implantation in Rats. J. Vis. Exp. (161), e61128, doi:10.3791/61128 (2020).

View Video