Microelectrode מודרך השרשה של אלקטרודות לתוך גרעין Subthalamic של חולדות לטווח ארוך עמוק גירוי המוח
Summary
A method for implanting electrodes into the subthalamic nucleus (STN) of rats is described. Better localization of the STN was achieved by using a microrecording system. Furthermore, a stimulation set-up is presented that is characterized by long-lasting connections between the head of the animal and the stimulator.
Abstract
גירוי מוחי עמוק (DBS) הוא טיפול המשמש באופן נרחב ויעיל לכמה הפרעות נוירולוגיות, כגון המחלה, דיסטוניה או רעד פרקינסון אידיופטית. DBS מבוסס על המשלוח של גירויים חשמליים למבנים אנטומיים עמוקים ספציפיים של מערכת העצבים המרכזית. עם זאת, מנגנוני ההשפעה של DBS להישאר מסתוריים. זה הוביל להתעניינות בחקירת ההשפעה של DBS במודלים של בעלי חיים, בעיקר בחולדות. כDBS הוא טיפול ארוך-טווח, מחקר צריך להתמקד בשינויים מולקולריים-גנטיים של מעגלים עצביים המתרחשים כמה שבועות לאחר DBS. לטווח ארוך DBS בחולדות הוא מאתגר כי החולדות לנוע בכלוב שלהם, מה שגורם לבעיות בשמירה במקום החוט מובילים מהראש של החיה לממריץ. יתר על כן, מבני יעד לגירוי במוח החולדה הם קטנים ולא יכולים בקלות להיות ממוקמות לכן אלקטרודות במיקום הנדרש. לפיכך, הגדרה לstimula לטווח ארוךtion של חולדות באמצעות אלקטרודות פלטינה / אירידיום עם עכבה של כ 1 MΩ פותח עבור מחקר זה. אלקטרודה עם מפרטים אלה מאפשרת ללא רק גירוי נאות אלא גם הקלטה של מבני מוח עמוקים לזהות את אזור היעד לDBS. בהגדרה שלנו, אלקטרודה עם תקע לחוט הייתה מוטבעת בבטון שיניים עם ארבעה ברגי עיגון מאובטחים על הגולגולת. החוט מהתקע לממריץ היה מוגן על ידי קפיץ פלדת אל-חלד. מסתובב היה קשור למעגל כדי למנוע את החוט מלהפוך סבוך. בסך הכל, הגדרת גירוי זה מציעה רמה גבוהה של ניידות חופשית לחולדה ומאפשרת את תקע הראש, כמו גם את הקשר בין חוט התקע והממריץ, כדי לשמור על כוח לטווח ארוך.
Introduction
גירוי מוחי עמוק (DBS) הוא טיפול המבוסס על המשלוח של דחפים חשמליים באמצעות אלקטרודות מושתלות למבנים מוחיים ספציפיים, כגון pallidus הפנימי גלובוס 1, גרעין subthalamic (STN) 2 – 4 או התלמוס ביניים הגחון 5. בשני העשורים האחרונים, טיפול זה כבר נקבע ככלי טיפולי רב עוצמה למחלת פרקינסון 1 – 4, דיסטוניה 6 ורעד 7, והוא משמש גם לווסת כאב כרוני 7, הפרעות פסיכיאטריות (כלומר, הפרעה טורדנית-כפייתית 8, דיכאון 9) או אפילפסיה עיקשת 10,11. יתר על כן, ייתכן שדי בי, בעתיד, יהפוך לאפשרות טיפול ביתר לחץ דם עורקים עקשן 12 או 13 orthostatic תת לחץ דם.
המנגנונים הפיסיולוגיים העומדים בבסיס תופעותאס יישאר גרוע הבין. מחקרים במכרסמים בהרדמה סיפקו תובנה תגובות עצביות לגירוי בתדר גבוה המחקים קליני הוחל 14 די בי. עם זאת, מחקרים אלו לא רק חסרי תימוכין התנהגות של אפקט DBS, אלא גם לגרום לשונות ניכרות בהתאם לפרמטרי הגירוי הוחלו 14.
לחקור יותר תמציתי תופעות התנהגותיות ומנגנונים של DBS במכרסמים מודעים, יש צורך בהגדרת גירוי שממלאת את הדרישות ספציפיות. DBS משמש בעיקר כטיפול לטווח ארוך (למשל, מחלת פרקינסון, כאב כרוני). לפיכך, הגדרת הגירוי במכרסמים צריך להיות מתוכננת כך שהיחידה מורכבת מאלקטרודה עם תקע, כמו גם חוט מהתקע לממריץ חיצוני; ויחידה זו צריכה להיות קלה אבל בלתי שבירה כאשר המקובעים לגולגולת. יתר על כן, חופש התנועה הוא הכרחי לחולדות במהלך stimulation על פני תקופה ממושכת. מבני היעד של DBS הם קטנים; לדוגמא, STN בחולדות יש אורך של 1.2 מ"מ ונפח של 0.8 מ"מ 3,15. לכן, אלקטרודות חייבת להיות מתוכננות כך שהגרעין לא lesioned במהלך החדרה והמיקוד צריך להיות מדויק. כמו רוב המחקרים שנערכו במכרסמים DBS השתמשו החדרת stereotactic אתר מבוססת של האלקטרודה למבנה היעד, שיעור השגיאה יכול להיות גבוה יחסית, גם בעת שימוש הקואורדינטות לפי פקסינוס ווטסון 16. התוצאה היא מספר גדול יותר של בעלי החיים יידרשו כדי להגיע לתוצאה משמעותית מבחינה סטטיסטית.
במחקר הנוכחי טכניקת השתלת אלקטרודה הוא הציג, שמכוון את STN ברמת דיוק גבוה באמצעות מערכת microrecording תוך קידום האלקטרודה. בנוסף, מערכת גירוי מוצגת שאינו מאפשרת רק רמה גבוהה של ניידות לבעלי החיים גירו, אלא גם מבטיחה stimulati הרציףבבאמצעות קיבוע מאובטח של חוט הגירוי (שמוגנת על ידי אביב נירוסטה) על ראשו של העכברוש.
Protocol
Representative Results
Discussion
מחקר זה מציג סט צעד-אחר-צעד של הוראות להשתלת אלקטרודה כרונית monopolar לSTN של חולדות. למרות אלקטרודות טונגסטן עם עכבה נמוכה משמשת לעתים קרובות ל18,19 DBS, אלקטרודה monopolar עשויה פלטינה / אירידיום (Pt / עיר) הועסק שעכבה של כ 1 MΩ. אלקטרודות Pt / עיר משמשות גם בחולים עם מחלת פרקי…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
We wish to thank Mr Wabbel for preparing the wires and Mr Tietsch for constructing the plugs and cages according to our plans. This work was supported by the Deutsche Forschungsgemeinschaft (Sonderforschungsbereich 688). Felix Fluri holds a fellowship of the Interdisziplinäre Zentrum für Klinische Forschung (IZKF), University Clinics Würzburg, Germany.
Materials
| Pt/Ir electrode | FHC Inc. | UE | Custom-made: Specification: UEPSEGSECN1M |
| Plugs | GT Labortechnik (Arnstein/Germany) | Custom-made | |
| Pin header | DISTRELEC | 143-95-324 | single-row, 90° 1×3 datamate, Type M80-8420342 |
| Socket | DISTRELEC | 143-95-621 | single-row,straight 2 mm pole no.1×3 datamate, Type M80-8400342 |
| Stainless steel spring | Plastics ONE | SS0102 | Part-#: .120 X .156 Spring ID (mm): 3.0 Spring OD (mm): 4.0 |
| Dental cement/Paladur | Heraeus Kulzer | 64707938 | Liquid, 500 ml |
| Dental cement/Paladur | Heraeus Kulzer | 64707954 | Powder, rose, 500g |
| Head screw | Hummer & Reiss | V2ADIN84 M1.6×3 | |
| Jodosept PVP | Vetoquinol | 435678/E04 | |
| Mepivacain 1% | AstraZeneca | PZN03338515 | |
| Epinephrine | Sanofi-Aventis | PZN00176118 | |
| Tramadolhydrochloride | Rotexmedica | 38449.00.00 |
References
- Kumar, R., Lang, A. E., et al. Deep brain stimulation of the globus pallidus pars interna in advanced Parkinson’s disease. Neurology. 55 (12 Suppl 6), S34-S39 (2000).
- Volkmann, J., Allert, N., Voges, J., Weiss, P. H., Freund, H. -. J., Sturm, V. Safety and efficacy of pallidal or subthalamic nucleus stimulation in advanced PD. Neurology. 56 (4), 548-551 (2001).
- Volkmann, J., Allert, N., Voges, J., Sturm, V., Schnitzler, A., Freund, H. -. J. Long-term results of bilateral pallidal stimulation in Parkinson’s disease. Annals of Neurology. 55 (6), 871-875 (2004).
- Odekerken, V. J., van Laar, T., et al. Subthalamic nucleus versus globus pallidus bilateral deep brain stimulation for advanced Parkinson’s disease (NSTAPS study): a randomised controlled trial. The Lancet Neurology. 12 (1), 37-44 (2013).
- Benabid, A. L., Pollak, P., et al. Long-term suppression of tremor by chronic stimulation of the ventral intermediate thalamic nucleus. The Lancet. 337 (8738), 403-406 (1991).
- Volkmann, J., Wolters, A., et al. Pallidal deep brain stimulation in patients with primary generalised or segmental dystonia: 5-year follow-up of a randomised trial. The Lancet Neurology. 11 (12), 1029-1038 (2012).
- Nguyen, J. -. P., Nizard, J., Keravel, Y., Lefaucheur, J. -. P. Invasive brain stimulation for the treatment of neuropathic pain. Nature Reviews Neurology. 7 (12), 699-709 (2011).
- Kohl, S., Schönherr, D. M., 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., Mädler, B., Coenen, V. A. Rapid Effects of Deep Brain Stimulation for Treatment-Resistant Major Depression. Biological Psychiatry. 73 (12), 1204-1212 (2013).
- Fisher, R., Salanova, V., et al. Electrical stimulation of the anterior nucleus of thalamus for treatment of refractory epilepsy. Epilepsia. 51 (5), 899-908 (2010).
- DeGiorgio, C., Heck, C., et al. Vagus nerve stimulation for epilepsy: Randomized comparison of three stimulation paradigms. Neurology. 65 (2), 317-319 (2005).
- Callaghan, E. L., McBryde, F. D., et al. Deep Brain Stimulation for the Treatment of Resistant Hypertension. Current Hypertension Reports. 16 (11), 1-10 (2014).
- Green, A. L. M. R. C. S., Wang, S., Owen, S. L. F., Paterson, D. J. D. P., Stein, J. F. D., Aziz, T. Z. D. M. Controlling the Heart Via the Brain: A Potential New Therapy for Orthostatic Hypotension. [Miscellaneous Article]. Neurosurgery June 2006. 58 (6), 1176-1183 (2006).
- Chang, J. -. Y., Shi, L. -. H., Luo, F., Zhang, W. -. M., Woodward, D. J. Studies of the neural mechanisms of deep brain stimulation in rodent models of Parkinson’s disease. Neuroscience, & Biobehavioral Reviews. 32 (3), 352-366 (2008).
- Hardman, C. D., Henderson, J. M., Finkelstein, D. I., Horne, M. K., Paxinos, G., Halliday, G. M. Comparison of the basal ganglia in rats, marmosets, macaques, baboons, and humans: Volume and neuronal number for the output, internal relay, and striatal modulating nuclei. The Journal of Comparative Neurology. 445 (3), 238-255 (2002).
- Paxinos, G., Watson, C. H. . The rat brain in stereotaxic coordinates. , (2007).
- Dirnagl, U. Bench to bedside: the quest for quality in experimental stroke research. Journal of Cerebral Blood Flow, & Metabolism. 26 (12), 1465-1478 (2006).
- Maesawa, S., Kaneoke, Y., et al. Long-term stimulation of the subthalamic nucleus in hemiparkinsonian rats: neuroprotection of dopaminergic neurons. Journal of Neurosurgery. 100 (4), 679-687 (2004).
- Spieles-Engemann, A. L., Behbehani, M. M., et al. Stimulation of the rat subthalamic nucleus is neuroprotective following significant nigral dopamine neuron loss. Neurobiology of disease. 39 (1), 105-115 (2010).
- Agnew, W. F., Yuen, T. G. H., McCreery, D. B., Bullara, L. A. Histopathologic evaluation of prolonged intracortical electrical stimulation. Experimental Neurology. 92 (1), 162-185 (1986).
- Harnack, D., Winter, C., Meissner, W., Reum, T., Kupsch, A., Morgenstern, R. The effects of electrode material, charge density and stimulation duration on the safety of high-frequency stimulation of the subthalamic nucleus in rats. Journal of Neuroscience Methods. 138 (1-2), 207-216 (2004).
- Groothuis, J., Ramsey, N. F., Ramakers, G. M. J., van der Plasse, G. Physiological Challenges for Intracortical Electrodes. Brain Stimulation. 7 (1), 1-6 (2014).
- Li, Q., Ke, Y., et al. Therapeutic Deep Brain Stimulation in Parkinsonian Rats Directly Influences Motor Cortex. Neuron. 76 (5), 1030-1041 (2012).
