Summary

Подготовка электродеса стимуляции периферического нерва для хронической имплантации у крыс

Published: July 14, 2020
doi:

Summary

Существующие подходы к созданию хронически имплантируемых периферийных нервных манжетных электродов для использования у мелких грызунов часто требуют специального оборудования и/или высококвалифицированного персонала. В этом протоколе мы демонстрируем простой, недорогой подход к изготовлению хронически имплантируемых манжетных электродов и демонстрируем их эффективность для стимуляции блуждающего нерва (VNS) у крыс.

Abstract

Электроды периферических нервных манжет уже давно используются в неврологии и смежных областях для стимуляции, например, блуждающего или седалищного нерва. Несколько недавних исследований продемонстрировали эффективность хронических VNS в повышении пластичности центральной нервной системы для улучшения двигательной реабилитации, обучения вымиранию и сенсорной дискриминации. Строительство хронически имплантируемых устройств для использования в таких исследованиях является сложной задачей из-за небольшого размера крыс, и типичные протоколы требуют обширной подготовки персонала и трудоемких методов микрофабрикации. Кроме того, коммерчески доступные имплантируемые электроды манжеты могут быть приобретены по значительно более высокой цене. В этом протоколе мы представляем простой, недорогой метод для строительства небольших, хронически имплантируемых периферийных нервных электродов для использования у крыс. Мы проверяем краткосрочную и долгосрочную надежность наших манжетных электродов, демонстрируя, что VNS у кетамина/ксилазина анестезированных крыс производит снижение скорости дыхания в соответствии с активацией рефлекса Херинг-Брейера, как во время имплантации, так и до 10 недель после имплантации устройства. Мы также демонстрируем пригодность электродов манжеты для использования в исследованиях хронической стимуляции путем сопряжения VNS с квалифицированной производительностью пресса рычага, чтобы вызвать пластичность моторной корковой карты.

Introduction

В последнее время спрос на хронически имплантируемые манжеты электродов для стимуляции периферических нервов вырос, так как исследования все чаще демонстрируют доклинную полезность этой методикидля лечения многочисленных воспалительных заболеваний 1,,2,,3 и неврологических расстройств4,,5,,6,,7,,8,,9,,10,,11,,12,,13,,14,,15. Хронический VNS, например, было показано, для повышения неокортической пластичности в различных контекстах обучения,улучшение мотор реабилитации 4,,5,6,,,7,,8,вымирание обучения 10,11,12,13,14,и сенсорнойдискриминации 15. Коммерчески доступные периферийные нервные манжеты электродов часто ассоциируются с увеличенными сроками выполнения заказа и относительно высокими затратами, что может ограничить их доступность. Кроме того, протоколы для “внутреннего” изготовления хронически имплантируемых электродов манжеты остаются ограниченными, и анатомия грызунов представляет особые проблемы из-за их небольшого размера. Текущие протоколы строительства манжетных электродов для экспериментов с хроническими грызунами часто требуют использования сложного оборудования и техники, а также тщательного обучения персонала. В этом протоколе мы демонстрируем упрощенный подход к изготовлению манжеты электрода на основе ранее опубликованных ишироко используемых методов 16,17. Мы проверяем функциональность наших хронически имплантированных электродов у крыс, демонстрируя, что во время имплантации манжеты вокруг левого блуждающего нерва шейки матки стимуляция, применяемая к электродам манжеты, успешно производила прекращение дыхания и падение SpO2. Стимуляция афферентных легочных рецепторов вагальных волокон, как известно, заниматься Hering-Breuer рефлекс, в котором ингибирование нескольких дыхательных ядер в стволе мозга приводит к подавлению вдохновения18. Таким образом, прекращение дыхания в соответствии с рефлексом Херинг-Брейер, и в результате падения SpO2, обеспечивают простой тест на надлежащее имплантации электродов и манжеты функции у анестезированых крыс. Для проверки долгосрочной функциональности хронически имплантированных электродов манжеты, рефлекторные реакции измерялись во время имплантации и сравнивались с ответами, полученными у тех же животных через шесть недель после имплантации. Вторая группа крыс была имплантирована с электродами манжеты VNS после поведенческой тренировки на задаче нажатия рычага. У этих крыс, VNS в паре с правильной производительности задачи производится реорганизация корковой моторной карты, в соответствии сранее опубликованными исследованиями 19,20,21,22. Во время моторного коркового картирования под наркозом, которое произошло через 5-10 недель после имплантации устройства, мы дополнительно подтвердили функцию манжеты у обработанных VNS животных, подтвердив, что VNS успешно индуцировал прекращение дыхания и более чем на 5% падение SpO2.

Недавно опубликованные протоколы от Чайлдси др. 17 и Риоси др. 16 обеспечивают хорошо проверенную отправную точку для упрощенного подхода изготовления электродов манжеты, так как этот популярный метод был использован несколькими лабораториями, проводящими хронические исследования VNSу грызунов 1,,2,,3,,4,,5,,6,,7,,8,,9,,10,,11. Оригинальный метод включает в себя несколько высокоточных шагов для манипулирования тонкой микропроводов, так что изготовление манжет электродов занимает более часа, и обширная подготовка для выполнения надежно. Упрощенный подход, описанный здесь, требует значительно меньше материалов и инструментов и может быть завершен менее чем за один час минимально подготовленным персоналом.

Protocol

Все процедуры, описанные в этом протоколе, осуществляются в соответствии с Руководством NIH по уходу и использованию лабораторных животных и были одобрены Институциональным комитетом по уходу за животными и использованию Техасского университета в Далласе. 1. Стимулирован…

Representative Results

Вагус нерва манжеты электроды и головные клетки были хронически имплантированы в крыс в соответствии сранее опубликованными хирургическими процедурами 17,19,20,21,22. До имплантации, impedance на 1 кГц был и…

Discussion

Здесь мы описываем простой, недорогой подход к сборке хронически имплантируемых стимулирующих электродов манжеты для использования у грызунов, облегчая доклинические исследования этой формирующейся терапии. Этот упрощенный метод не требует специальной подготовки или оборудования, …

Declarações

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

Эта работа финансировалась Техасским университетом в Далласе и Советом регентов UT. Мы благодарим Соломона Голдинга, Билаала Хасана, Марги Джани и Чинг-цзы Цзэна за техническую помощь.

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