Summary

Fremstilling av perifere nervestimuleringselektroder for kronisk implantasjon hos rotter

Published: July 14, 2020
doi:

Summary

Eksisterende tilnærminger for å konstruere kronisk implanterbare perifere nervemansjetter for bruk hos små gnagere krever ofte spesialisert utstyr og / eller høyt utdannet personell. I denne protokollen demonstrerer vi en enkel, rimelig tilnærming for å fremstille kronisk implanterbare mansjettelektroder, og demonstrere deres effektivitet for vagus nervestimulering (VNS) hos rotter.

Abstract

Perifere nerve cuff elektroder har lenge vært brukt i nevrovitenskap og relaterte felt for stimulering av for eksempel vagus eller isjiasnerver. Flere nyere studier har vist effektiviteten av kronisk VNS i å forbedre sentralnervesystemet plastisitet for å forbedre motorrehabilitering, utryddelseslæring og sensorisk diskriminering. Bygging av kronisk implanterbare enheter for bruk i slike studier er utfordrende på grunn av rotters lille størrelse, og typiske protokoller krever omfattende opplæring av personell og tidkrevende mikrofabrikasjonsmetoder. Alternativt kan kommersielt tilgjengelige implanterbare mansjettelektroder kjøpes til en betydelig høyere pris. I denne protokollen presenterer vi en enkel, rimelig metode for bygging av små, kronisk implanterbare perifere nervemansjettlektroder for bruk hos rotter. Vi validerer den kortsiktige og langsiktige påliteligheten til våre mansjettelektroder ved å demonstrere at VNS i ketamin / xyazine bedøvet rotter produserer reduksjon i pustefrekvens i samsvar med aktivering av Hering-Breuer refleks, både på tidspunktet for implantasjon og opptil 10 uker etter apparatimplantasjon. Vi viser videre egnetheten til mansjettelektrodene for bruk i kroniske stimuleringsstudier ved å pare VNS med dyktig spakpresseytelse for å indusere motorkortikal kartplastisitet.

Introduction

Nylig har etterspørselen etter kronisk implanterbare mansjettelektroder for stimulering av perifere nerver vokst, da studier i økende grad viser den prekliniske nytten av denne teknikken for behandling av mange inflammatoriskesykdommer 1,2,3 og nevrologiskelidelser 4,5,6,7,8,9,10,11,12,13,14,15. Kronisk VNS, for eksempel, har vist seg å forbedre neokortikale plastisitet i en rekke læringssammenhenger, forbedre motor rehabilitering4,5,6,7,8, utryddelse læring10,11,12,13,14, og sensorisk diskriminering15. Kommersielt tilgjengelige perifere nervemansjetlektroder er ofte forbundet med utvidede tider for ordreoppfyllelse og relativt høye kostnader, noe som kan begrense tilgjengeligheten. Alternativt forblir protokoller for “in-house” fabrikasjon av kronisk implanterbare mansjettelektroder begrenset, og gnageranatomi presenterer spesielle utfordringer på grunn av deres lille størrelse. Nåværende protokoller for å konstruere mansjettelektroder for kroniske gnagereksperimenter krever ofte bruk av komplekst utstyr og teknikker, samt omfattende opplært personell. I denne protokollen demonstrerer vi en forenklet tilnærming til mansjettelektrodefabrikasjon basert på tidligere publiserte og mye bruktemetoder 16,,17. Vi validerer funksjonaliteten til våre kronisk implanterte elektroder hos rotter ved å demonstrere at på tidspunktet for mansjettimplantasjon rundt venstre cervical vagus nerve, stimulering brukt på mansjettelektrodene vellykket produsert en opphør av pust og fall i SpO2. Stimulering av afferent lungereseptor vagalfibre er kjent for å engasjere Hering-Breuer refleks, der hemming av flere respiratoriske kjerner i hjernestammen resulterer i undertrykkelse inspirasjon18. Dermed gir opphør av pusten i samsvar med Hering-Breuer-refleksen, og den resulterende nedgangen i SpO2, en enkel test for riktig elektrodeimplantasjon og mansjettfunksjon hos bedøvede rotter. For å validere den langsiktige funksjonaliteten til kronisk implanterte mansjettelektroder ble refleksresponser målt på implantasjonstiden og sammenlignet med svarene som ble oppnådd hos de samme dyrene seks uker etter implantasjon. En annen gruppe rotter ble implantert med VNS mansjettelektroder etter atferdstrening på en spakpressende oppgave. I disse rotter, VNS sammen med riktig oppgave ytelse produsert omorganisering av kortikale motor kartet, i samsvar med tidligere publiserte studier19,20,21,22. På tidspunktet for motorkortikale kartlegging under anestesi, som skjedde 5-10 uker etter implantasjon av enheten, validerte vi ytterligere mansjettfunksjonen hos VNS-behandlede dyr ved å bekrefte at VNS vellykket induserte en opphør av pusten og en større enn 5% nedgang i SpO2.

De nylig publiserte protokollene fra Childs et al.17 og Rios et al.16 gir et godt validert utgangspunkt for en forenklet mansjettelektrodefabrikasjon tilnærming, da denne populære metoden har blitt benyttet av flere laboratorier som utfører kroniske VNS-studier hos gnagere1,2,3,,4,5,6,7,8,9,10,11. Den opprinnelige metoden innebærer flere høypresisjonstrinn for å manipulere de fine mikroledningene slik at mansjettelektrodefabrikasjon tar over en time å fullføre, og omfattende opplæring for å utføre pålitelig. Den forenklede tilnærmingen som er beskrevet her krever betydelig færre materialer og verktøy og kan fullføres på under en time av minimalt opplært personell.

Protocol

Alle prosedyrer som er beskrevet i denne protokollen utføres i samsvar med NIH Guide for care and use of Laboratory Animals og ble godkjent av Institutional Animal Care and Use Committee of The University of Texas i Dallas. 1. Stimulerende mansjett elektrode fabrikasjon Forbered mansjetten slange. Bruk et barberblad, kutt et stykke polymerrør 2,5 mm i lengde. Sett tangspissene eller en binders gjennom slangen, og bruk bladet til å lage en spalte på langs gjennom veggen p?…

Representative Results

Vagus nerve cuff elektroder og hodeskåler ble kronisk implantert i rotter i henhold til tidligere publiserte kirurgiske prosedyrer17,19,20,21,22. Før implantasjon ble impedans ved 1 kHz målt over mansjettens ledninger med mansjettslangen nedsenket i saltvann (impedans = 1,2 ± 0,17 kΩ [gjennomsnitt ± std]; N = 9). Bare mansjetter med impedanser mindre enn…

Discussion

Her beskriver vi en enkel, rimelig tilnærming for montering av kronisk implanterbare stimulerende mansjettelektroder for bruk hos gnagere, noe som letter prekliniske undersøkelser av denne nye terapien. Denne forenklede metoden krever ingen spesialisert opplæring eller utstyr, og bruker et lite antall verktøy og forsyninger som er lett tilgjengelige for de fleste forskningslaboratorier, noe som reduserer både monetære og lønnskostnader for enhetsproduksjon sammenlignet med andre tilnærminger16,<…

Declarações

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

Dette arbeidet ble finansiert av University of Texas i Dallas og UT Board of Regents. Vi takker Solomon Golding, Bilaal Hassan, Marghi Jani og Ching-Tzu Tseng for teknisk assistanse.

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