चूहों में क्रोनिक इम्प्लांटेशन के लिए पेरिफेरल तंत्रिका उत्तेजना इलेक्ट्रोड की तैयारी
Summary
छोटे कृंतक में उपयोग के लिए लंबे समय से प्रत्यारोपित परिधीय तंत्रिका कफ इलेक्ट्रोड के निर्माण के लिए मौजूदा दृष्टिकोण अक्सर विशेष उपकरण और/या उच्च प्रशिक्षित कर्मियों की आवश्यकता होती है । इस प्रोटोकॉल में हम लंबे समय से प्रत्यारोपित कफ इलेक्ट्रोड गढ़ने के लिए एक सरल, कम लागत वाले दृष्टिकोण का प्रदर्शन करते हैं, और चूहों में वेगस तंत्रिका उत्तेजना (वीएनएस) के लिए अपनी प्रभावशीलता प्रदर्शित करते हैं।
Abstract
परिधीय तंत्रिका कफ इलेक्ट्रोड लंबे समय से तंत्रिका विज्ञान और संबंधित क्षेत्रों में उत्तेजना के लिए इस्तेमाल किया गया है, उदाहरण के लिए, vagus या sciatic नसों । हाल के कई अध्ययनों ने मोटर पुनर्वास, विलुप्त होने की सीख और संवेदी भेदभाव में सुधार करने के लिए केंद्रीय तंत्रिका तंत्र प्लास्टिसिटी को बढ़ाने में पुरानी वीएनएस की प्रभावशीलता का प्रदर्शन किया है। चूहों के छोटे आकार के कारण ऐसे अध्ययनों में उपयोग के लिए लंबे समय से प्रत्यारोपित उपकरणों का निर्माण चुनौतीपूर्ण है, और विशिष्ट प्रोटोकॉल के लिए कर्मियों और समय लेने वाले माइक्रोफैब्रिकेशन विधियों के व्यापक प्रशिक्षण की आवश्यकता होती है। वैकल्पिक रूप से, व्यावसायिक रूप से उपलब्ध प्रत्यारोपण योग्य कफ इलेक्ट्रोड काफी अधिक लागत पर खरीदा जा सकता है। इस प्रोटोकॉल में, हम चूहों में उपयोग के लिए छोटे, लंबे समय से प्रत्यारोपित परिधीय तंत्रिका कफ इलेक्ट्रोड के निर्माण के लिए एक सरल, कम लागत वाली विधि पेश करते हैं। हम अपने कफ इलेक्ट्रोड की छोटी और दीर्घकालिक विश्वसनीयता को यह प्रदर्शित करके मान्य करते हैं कि केटामाइन/जाइलज़ीन एनेस्थेटाइज्ड चूहों में वीएनएस प्रत्यारोपण के समय और डिवाइस प्रत्यारोपण के बाद 10 सप्ताह तक हेरिंग-ब्रेयर पलटा की सक्रियता के अनुरूप श्वास दर में कमी पैदा करता है। हम मोटर कॉर्टिकल मानचित्र प्लास्टिसिटी को प्रेरित करने के लिए कुशल लीवर प्रेस प्रदर्शन के साथ वीएनएस बांधना द्वारा पुरानी उत्तेजना अध्ययन में उपयोग के लिए कफ इलेक्ट्रोड की उपयुक्तता को प्रदर्शित करते हैं।
Introduction
हाल ही में, परिधीय नसों की उत्तेजना के लिए लंबे समय से प्रत्यारोपित कफ इलेक्ट्रोड की मांग बढ़ी है, क्योंकि अध्ययन कई भड़काऊ रोगों1, 2, 3और न्यूरोलॉजिकल विकारों,11,,4,,5,,,6,7,,8,,,9,,,3 10,211,12,13,14,,15के उपचार के लिए इस तकनीक की पूर्व नैदानिक उपयोगिता को तेजी से प्रदर्शित करते हैं।, उदाहरण के लिए, क्रोनिक वीएनएस को विभिन्न प्रकार के शिक्षण संदर्भों में नियोकॉर्टिकल प्लास्टिसिटी को बढ़ाने, मोटर पुनर्वास,,4,5,6,7,,8,विलुप्त होने की सीख,10, 11,,12,,,13, 14और संवेदी भेदभाव15में सुधार करने के लिए दिखाया गया है।11,14 व्यावसायिक रूप से उपलब्ध परिधीय तंत्रिका कफ इलेक्ट्रोड अक्सर ऑर्डर पूर्ति और अपेक्षाकृत उच्च लागत के लिए विस्तारित समय से जुड़े होते हैं, जो उनकी पहुंच को सीमित कर सकते हैं। वैकल्पिक रूप से, लंबे समय से प्रत्यारोपित कफ इलेक्ट्रोड के “इन-हाउस” निर्माण के लिए प्रोटोकॉल सीमित रहते हैं, और कृंतक शरीर रचना विज्ञान अपने छोटे आकार के कारण विशेष चुनौतियां प्रस्तुत करता है। पुराने कृंतक प्रयोगों के लिए कफ इलेक्ट्रोड के निर्माण के लिए वर्तमान प्रोटोकॉल अक्सर जटिल उपकरणों और तकनीकों के साथ-साथ बड़े पैमाने पर प्रशिक्षित कर्मियों के उपयोग की आवश्यकता होती है। इस प्रोटोकॉल में, हम पहले प्रकाशित और व्यापक रूप से उपयोग किए जाने वाले तरीकों16,17के आधार पर कफ इलेक्ट्रोड निर्माण के लिए एक सरलीकृत दृष्टिकोण प्रदर्शितकरतेहैं। हम चूहों में हमारे लंबे समय से प्रत्यारोपित इलेक्ट्रोड की कार्यक्षमता को यह प्रदर्शित करके मान्य करते हैं कि, बाएं गर्भाशय ग्रीवा के आसपास कफ प्रत्यारोपण के समय, कफ इलेक्ट्रोड पर लागू उत्तेजना ने सफलतापूर्वक SpO2 में सांस लेने और ड्रॉप की समाप्ति का उत्पादन किया। अफरेंट पल्मोनरी रिसेप्टर वागल फाइबर की उत्तेजना हेरिंग-ब्रेयर रिफ्लेक्स को संलग्न करने के लिए जानी जाती है, जिसमें ब्रेनस्टेम में कई श्वसन नाभिक के अवरोध के परिणामस्वरूप दमन प्रेरणा18होती है। इस प्रकार, हेरिंग-ब्रेयर पलटा के अनुरूप श्वास की समाप्ति, और एसपीओ 2 में परिणामी बूंद, एनेस्थेटाइज्ड चूहों में उचित इलेक्ट्रोड प्रत्यारोपण और कफ फ़ंक्शन के लिए एक सीधा परीक्षण प्रदान करती है। लंबे समय से प्रत्यारोपित कफ इलेक्ट्रोड की दीर्घकालिक कार्यक्षमता को मान्य करने के लिए, प्रत्यारोपण के समय पलटा प्रतिक्रियाओं को मापा गया था और प्रत्यारोपण के छह सप्ताह बाद एक ही जानवरों में प्राप्त प्रतिक्रियाओं की तुलना में। चूहों के एक दूसरे समूह को लीवर दबाने के कार्य पर व्यवहार प्रशिक्षण के बाद वीएनएस कफ इलेक्ट्रोड के साथ प्रत्यारोपित किया गया था। इन चूहों में, वीएनएस ने कॉर्टिकल मोटर मानचित्र के पुनर्गठन का उत्पादन किया, जो पहले प्रकाशितअध्ययनों 19,20,,,21, 22,22के अनुरूप है। संज्ञाहरण के तहत मोटर कॉर्टिकल मैपिंग के समय, जो डिवाइस प्रत्यारोपण के 5-10 सप्ताह बाद हुआ, हमने वीएनएस-इलाज किए गए जानवरों में कफ फ़ंक्शन को पुष्टि करके कि वीएनएस ने सफलतापूर्वक श्वास की समाप्ति और एसपीओ2में 5% से अधिक की गिरावट को प्रेरित किया।
बाल एट अल से हाल ही में प्रकाशित प्रोटोकॉल17 और रियोस एट अल16 एक सरलीकृत कफ इलेक्ट्रोड फैब्रिकेशन दृष्टिकोण के लिए एक अच्छी तरह से मान्य प्रारंभिक बिंदु प्रदान करते हैं, क्योंकि इस लोकप्रिय विधि का उपयोग कृंतक1, 2, 3, 4,,5,,,,,,,6,2,3,7,8,9,11में पुरानी वीएनएस अध्ययन करने वाली कई प्रयोगशालाओं द्वारा किया गयाहै।,7 मूल विधि में ठीक माइक्रोवायरों में हेरफेर करने के लिए कई उच्च सटीक कदम शामिल हैं जैसे कि कफ इलेक्ट्रोड निर्माण को पूरा करने में एक घंटे से अधिक का समय लगता है, और मज़बूती से प्रदर्शन करने के लिए व्यापक प्रशिक्षण। यहां वर्णित सरलीकृत दृष्टिकोण के लिए काफी कम सामग्रियों और उपकरणों की आवश्यकता होती है और न्यूनतम प्रशिक्षित कर्मियों द्वारा एक घंटे के तहत पूरा किया जा सकता है ।
Protocol
Representative Results
Discussion
यहां हम कृंतक में उपयोग के लिए लंबे समय से प्रत्यारोपण करने योग्य उत्तेजक कफ इलेक्ट्रोड की असेंबली के लिए एक सरल, कम लागत वाले दृष्टिकोण का वर्णन करते हैं, जो इस उभरती हुई चिकित्सा की प्रीक्लिनिकल जांच …
Declarações
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
इस काम को डलास में टेक्सास विश्वविद्यालय और यूटी बोर्ड ऑफ रीजेंट्स द्वारा वित्त पोषित किया गया था। हम तकनीकी सहायता के लिए सोलोमन गोल्डिंग, बिलाल हसन, मार्गी जानी और चिंग-त्जु त्सेंग को धन्यवाद देते हैं ।
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
- 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).
- Levine, Y. A., et al. Neurostimulation of the cholinergic anti-inflammatory pathway ameliorates disease in rat collagen-induced arthritis. PLoS One. , (2014).
- 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).
- Ganzer, P. D., et al. Closed-loop neuromodulation restores network connectivity and motor control after spinal cord injury. Elife. , (2018).
- 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).
- Khodaparast, N., et al. Vagus nerve stimulation delivered during motor rehabilitation improves recovery in a rat model of stroke. Neurorehabilitation and Neural Repair. , (2014).
- Meyers, E. C., et al. Vagus nerve stimulation enhances stable plasticity and generalization of stroke recovery. Stroke. , (2018).
- Hays, S. A., et al. Vagus nerve stimulation during rehabilitative training improves functional recovery after intracerebral hemorrhage. Stroke. , (2014).
- Farrand, A., et al. Vagus nerve stimulation improves locomotion and neuronal populations in a model of Parkinson’s disease. Brain Stimulationation. , (2017).
- Souza, R. R., et al. Vagus nerve stimulation reverses the extinction impairments in a model of PTSD with prolonged and repeated trauma. Stress. , (2019).
- Noble, L. J., Souza, R. R., McIntyre, C. K. Vagus nerve stimulation as a tool for enhancing extinction in exposure-based therapies. Psychopharmacology. , (2019).
- 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).
- 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).
- 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).
- Engineer, C. T., et al. Temporal plasticity in auditory cortex improves neural discrimination of speech sounds. Brain Stimulationation. , (2017).
- Rios, M., et al. Protocol for Construction of Rat Nerve Stimulation Cuff Electrodes. Methods Protoc. , (2019).
- 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).
- Paintal, A. S. Vagal sensory receptors and their reflex effects. Physiological reviews. , (1973).
- Porter, B. A., et al. Repeatedly Pairing Vagus Nerve Stimulation with a Movement Reorganizes Primary Motor Cortex. Cerebral Cortex. 22, 2365-2374 (2011).
- Morrison, R. A., et al. Vagus nerve stimulation intensity influences motor cortex plasticity. Brain Stimulationation. , (2018).
- Hulsey, D. R., et al. Norepinephrine and serotonin are required for vagus nerve stimulation directed cortical plasticity. Exp. Neurol. , (2019).
- Hulsey, D. R., et al. Reorganization of Motor Cortex by Vagus Nerve Stimulation Requires Cholinergic Innervation. Brain Stimulation. 9, 174-181 (2016).
- Bouverot, P., Crance, J. P., Dejours, P. Factors influencing the intensity of the breuer-hering inspiration-inhibiting reflex. Respiration Physiology. , (1970).
- Fialova, E., Vizek, M., Palecek, F. Inflation reflex in the rat. Physiologia Bohemoslov. , (1975).
- Hays, S. A., et al. The bradykinesia assessment task: An automated method to measure forelimb speed in rodents. Journal of Neuroscience Methods. , (2013).
- 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).
- González-González, M. A., et al. Thin Film Multi-Electrode Softening Cuffs for Selective Neuromodulation. Scientific Reports. , (2018).
- 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).
- Bucksot, J., et al. Flat electrode contacts for vagus nerve stimulation. PLoS One. 14, (2019).
- 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).
- Bonaz, B., Sinniger, V., Pellissier, S. Anti-inflammatory properties of the vagus nerve: potential therapeutic implications of vagus nerve stimulation. Journal of Physiology. , (2016).
