Summary

微小電極は、長期的な脳深部刺激のためのラットの視床下核に電極の移植ガイド付き

Published: October 02, 2015
doi:

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

脳深部刺激(DBS)は、特発性パーキンソン病、ジストニアまたは振戦などのいくつかの神経障害のために広く使用され、効果的な治療です。 DBSは、中枢神経系の特定の深い解剖学的構造への電気刺激の配信に基づいています。しかし、DBSの効果のメカニズムは謎のままです。これは、特にラットに、動物モデルにおいてDBSの影響を調査の関心につながっています。 DBSは、長期的な治療であるため、研究はDBS後数週間を発生する神経回路の分子遺伝的変化に焦点を置くべきです。ラットは所定の位置に刺激に対する動物の頭からの導線を維持するのに問題が発生し、そのケージに動き回るため、ラットの長期DBSは困難です。また、ラットの脳内の刺激のための標的構造は、小型であり、したがって、電極は、容易に必要な位置に配置することができません。このように、長期的なstimulaためのセットアップ約1MΩのインピーダンスと白金/イリジウム電極を用いたラットの化は、この研究のために開発されました。これらの仕様と電極は、適切な刺激だけでなく、DBSのためのターゲット領域を識別するために、脳深部構造の記録だけでなくすることができます。我々のセットアップでは、ワイヤ用のプラグと電極を頭蓋骨に固定4本のネジで固定する歯科用セメントに埋め込まれました。刺激へのプラグからワイヤーをステンレス製のスプリングにより保護されていました。スイベルは、もつれたならワイヤを防止するために回路に接続しました。全体的に、この刺激のセットアップは、ラットのための自由移動性の高い学位を提供し、長期的な強度を保持するために、ヘッドプラグだけでなく、プラグと刺激間の配線の接続を可能にします。

Introduction

4または腹側中間視床5 –脳深部刺激(DBS)は、内部の淡蒼球1、視床下核(STN)2のような特定の脳構造に埋め込 ​​まれた電極を介した電気インパルスの配信に基づいて治療法です。過去20年間では、この治療は、パーキンソン病1のための強力な治療ツールとして確立されている– 4、ジストニア6と震え7、および慢性疼痛7を変調するためにも使用され、精神障害( すなわち 、強迫性障害8、大うつ病9)または難治性てんかん10,11。また、DBSは、将来的には、耐火動脈高血圧12や起立性低血圧13のための治療選択肢になるかもしれません。

効果の基礎となる生理学的メカニズムDBSのよくわかっていないままです。麻酔をかけたげっ歯類での研究は、臨床的にDBS 14適用模倣高頻度刺激に神経応答への洞察を提供してきました。しかしながら、これらの研究は、DBS効果の行動の裏付けを欠くだけでなく、14を適用した刺激パラメータに応じてかなりのばらつきが生じます。

より簡潔に意識げっ歯類におけるDBSの行動への影響と根底にある機構を調べるために、刺激のセットアップには、特定の要件を満たすことが必要です。 DBSは、主に、長期療法として使用されている例えば、パーキンソン病、慢性の痛み)。ユニットはプラグと同様に、外部刺激へのプラグからのワイヤと電極で構成されるようにこのように、げっ歯類における刺激セットアップを設計する必要があります。頭蓋骨に固定されたときや、本機は、軽量で割れないでなければなりません。また、移動の自由はstimula中のラットのために不可欠です長期にわたってる。 DBSの標的構造は小さいです。例えば、ラットにおけるSTNは1.2mmの長さおよび0.8 mmの3,15の体積を有します。したがって、電極は、核が挿入中に損傷しないように設計されており、正確にニーズを標的としなければなりません。げっ歯類で行わ最もDBS研究は、標的構 ​​造に対して電極のランドマークベースの定位挿入を使用しているように、エラーレートがPaxinosとWatsonの16に従って座標を用いた場合であっても、比較的高いとすることができます。これは、統計的に意味のある結果に到達するために必要な動物の多数を生じます。

本研究では、電極注入法は、電極を進めながらmicrorecording系を用いて高精度にSTNを標的とする、導入されます。また、刺激システムは、刺激された動物のための移動性の高度を可能にするだけでなく、連続stimulatiを保証しない提示されていますラットの頭の上に(ステンレス製スプリングで保護されている)刺激線の確実な固定を介した上で。

Protocol

動物実験は、ヴュルツブルク大学と法的状態当局(ウンターフランケン、承認番号:54-2531.01-102 / 13)によって承認された、実験ストロークでの研究のための推奨に従って行っ17を研究し、現在の動物実験:の報告in vivo実験ガイドライン(http://www.nc3rs.org.uk/arrive-guidelines)。 1.麻酔手続きの期間中、供給ガス(酸素)およびイソフルランの適切な量?…

Representative Results

記録システムを用いてラットのSTNに電極を移植する – ここに提示されるようなことは – 動物あたり約1時間かかりますDBSための効果的かつ正確な手順です。このモデルは、かなりマイナーな手順です:手術を施したラット10匹のうち、すべての介入を生き延びました。介入後の二十四時間は、各ラットの状態をモニターし、何の動物は、重大度コードに応じて1以上3点を達成していません。連?…

Discussion

本研究では、ラットのSTNにモノポーラ慢性電極を移植するための命令のステップバイステップのセットを提供します。低インピーダンスのタングステン電極は、多くの場合、DBS 18,19のために使用されているが、白金/イリジウム白金(Pt / Ir)から製の単極電極は、約1MΩのインピーダンスを持っていたことを採用しました。 Pt / Irの電極はまた、それらの好ましい特性のパーキンソ…

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

  1. 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).
  2. 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).
  3. 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).
  4. 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).
  5. 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).
  6. 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).
  7. 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).
  8. Kohl, S., Schönherr, D. M., et al. Deep brain stimulation for treatment-refractory obsessive compulsive disorder: a systematic review. BMC psychiatry. 14, 214 (2014).
  9. 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).
  10. 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).
  11. DeGiorgio, C., Heck, C., et al. Vagus nerve stimulation for epilepsy: Randomized comparison of three stimulation paradigms. Neurology. 65 (2), 317-319 (2005).
  12. 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).
  13. 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).
  14. 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).
  15. 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).
  16. Paxinos, G., Watson, C. H. . The rat brain in stereotaxic coordinates. , (2007).
  17. Dirnagl, U. Bench to bedside: the quest for quality in experimental stroke research. Journal of Cerebral Blood Flow, & Metabolism. 26 (12), 1465-1478 (2006).
  18. 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).
  19. 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).
  20. 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).
  21. 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).
  22. 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).
  23. Li, Q., Ke, Y., et al. Therapeutic Deep Brain Stimulation in Parkinsonian Rats Directly Influences Motor Cortex. Neuron. 76 (5), 1030-1041 (2012).

Play Video

Cite This Article
Fluri, F., Bieber, M., Volkmann, J., Kleinschnitz, C. Microelectrode Guided Implantation of Electrodes into the Subthalamic Nucleus of Rats for Long-term Deep Brain Stimulation. J. Vis. Exp. (104), e53066, doi:10.3791/53066 (2015).

View Video