Микроэлектродные Руководствуясь вживления электродов в субталамического ядра крыс для долгосрочного Глубокая стимуляция мозга
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
Глубокая стимуляция мозга (DBS) является широко используемым и эффективной терапии в течение нескольких неврологических расстройств, таких как идиопатической болезни Паркинсона, дистонии или тремора. DBS основан на поставку электрических стимулов к конкретным глубоких анатомических структур центральной нервной системы. Тем не менее, механизмы, лежащие в действие DBS остаются загадочными. Это привело к заинтересованности в расследовании воздействие DBS в животных моделях, особенно у крыс. Как DBS является длительная терапия, исследование должно быть сосредоточено на молекулярно-генетических изменений нейронных цепей, которые происходят через несколько недель после DBS. Долгосрочный DBS у крыс является сложной задачей, потому что крысы передвигаться в их клетке, которая вызывает проблемы в соответствии в месте провод, ведущий от головы животного к стимулятора. Кроме того, целевые структуры для стимуляции мозга крыс малы и, следовательно, электроды не могут быть легко размещены в требуемом положении. Таким образом, установка для длительной Stimulaние крысах с использованием платины / иридия электроды с сопротивлением около 1 МОм был разработан для этого исследования. Электрод с этими спецификациями позволяет не только адекватной стимуляции, но и записи глубинных структур головного мозга, чтобы определить целевую область для DBS. В нашем настройки, электрод с вилкой для провода был встроен в стоматологической цемента с четырьмя винтами, обеспеченных анкерных на черепе. Провод от штекера стимулятора был защищен нержавеющей стальной пружиной. Вертлюг был подключен к цепи, чтобы предотвратить провод от запутывания. В целом, это стимуляция настройки предлагает высокую степень свободного передвижения для крысы и позволяет голову вилку, а также подключение проводов между пробкой и стимулятора, чтобы сохранить длительный силу.
Introduction
Глубокая стимуляция мозга (DBS) является лечение, основанное на поставку электрических импульсов через имплантированные электроды на конкретные структуры головного мозга, таких как внутреннее бледного шара 1, гипоталамический ядро (STN) 2 – 4 или вентральной промежуточного таламуса 5. В последние два десятилетия, это лечение было установлено в качестве мощного лечебного средства для лечения болезни Паркинсона 1 – 4, дистония 6 и тремор 7, а также используется для модуляции хроническая боль 7, психические расстройства (т.е., обсессивно-компульсивное расстройство 8, депрессия 9) или неразрешимыми эпилепсии 10,11. Кроме того, DBS может, в будущем, стать вариантом лечения для огнеупорной артериальная гипертензия 12 или ортостатической гипотензии 13.
Физиологические механизмы, лежащие в основе эффектовОБН-прежнему плохо изучены. Исследования, проведенные в наркозом грызунов предоставили понимание нейронных ответов на высокочастотной стимуляции, которые имитируют клинически прикладной DBS 14. Тем не менее, эти исследования не только не имеют поведенческие подтверждение эффекта DBS, но и привести к значительному изменчивости в зависимости от параметров стимуляции применяется 14.
Чтобы исследовать более лаконично поведенческие эффекты и механизмы, лежащие в основе DBS в сознании грызунов, стимуляция настройки необходимо, что соответствует требованиям. DBS в основном используется в качестве долговременной терапии (например, болезнь Паркинсона, хронической боли). Таким образом, стимуляция настройки у грызунов должен быть разработан таким образом, что блок состоит из электрода с вилкой, а также провод от клеммы к внешнему стимулятора; и это устройство должно быть легким, но нерушимая, когда фиксируется на черепе. Кроме того, свобода передвижения является необходимым условием для крыс в течение Stimulaции в течение длительного периода. Целевые структуры DBS малы; Например, у крыс, STN имеет длину 1,2 мм и объемом 0,8 мм 3,15. Таким образом, электроды должны быть сконструированы таким образом, что ядро не пораженном во время вставки и ориентации должна быть точным. В большинстве исследований, проведенных в DBS грызунов использовали знаковый основе стереотаксической вставку электрода к структуре-мишени, частота ошибок может быть относительно высокой, даже при использовании координаты в соответствии с Paxinos и Уотсоном 16. Это приводит к большему числу животных, необходимых для достижения статистически значимого в результат.
В настоящем исследовании собой технику имплантации электродов вводится, что цели КТС с высокой точностью с помощью системы microrecording при продвижении электрода. Кроме того, система стимуляции представлена, что позволяет не только высокую степень мобильности стимулированного животного, но также гарантирует непрерывный stimulatiна с помощью безопасной фиксации стимуляции проволоки (которая защищена нержавеющей стали весной) на голову крысы.
Protocol
Representative Results
Discussion
Это исследование представляет собой шаг за шагом набор инструкций для имплантации монополярного электрода хронический в STN крыс. Несмотря на то, вольфрамовые электроды с низким сопротивлением часто используются для DBS 18,19, монополярного электрода из платины / иридия (Pt / Ir), что…
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).
