أسلوب فريد لتقييم نتائج موتور من أعماق تحفيز الدماغ آثار في الجرذ Hemiparkinsonian: الدرج واختبار اسطوانة
Summary
Deep brain stimulation (DBS) is an effective treatment option for Parkinson’s disease. We established a study design to screen novel stimulation paradigms in rats. The protocol describes the use of the staircase test and cylinder test for motor outcome assessment in DBS treated hemiparkinsonian rats.
Abstract
التحفيز العميق للمخ من نواة تحت المهاد هو خيار علاج فعال لمرض باركنسون. في مختبرنا أنشأنا بروتوكول لفحص أنماط مختلفة تحفيزا عصبيا في hemiparkinsonian (lesioned من جانب واحد) الفئران. وهو يتألف من خلق الآفة وباركنسون من جانب واحد عن طريق الحقن 6 hydroxydopamine (6-OHDA) في حق حزمة الدماغ الأمامي وسطي، زرع أقطاب كهربائية تحفيز المزمنة في نواة تحت المهاد وتقييم النتائج السيارات في نهاية 24 فترات ساعة من متجهة كابل تحفيزا عصبيا الخارجي . وقد أجريت التحفيز مع التحفيز الحالي مستمر. تم تعيين السعة 20٪ أقل من العتبة الفردية من أي آثار جانبية. وقد تم تقييم نتائج محرك من تقييم استخدام مخلب عفوية في اختبار اسطوانة وفقا لShallert والتقييم للوصول إلى المهارة في اختبار الدرج وفقا لمونتويا. يصف هذا البروتوكول في التفاصيل التدريب في مربع درج، وجاختبار ylinder، فضلا عن استخدام كل من في الفئران hemiparkinsonian. استخدام كل من الاختبارات أمر ضروري، لأن الاختبار الدرج ويبدو أن تكون أكثر حساسية لغرامة ضعف المهارات الحركية والمعارض حساسية أكبر للتغيير خلال تحفيزا عصبيا. مزيج من نموذج باركنسون من جانب واحد واثنين من الاختبارات السلوكية يسمح تقييم المعلمات التحفيز المختلفة بطريقة موحدة.
Introduction
التحفيز العميق للمخ من نواة تحت المهاد (STN) هو خيار علاج فعال لمرض (1) وحركة غيرها من اضطرابات باركنسون. لا تزال غير مفهومة الآليات الكامنة وسياقاتها، ولكن سمة رئيسية هي تعديل لنشاط الشبكة العصبية التي كتبها الاستقطاب المتكرر من المحاور في محيط القطب محفزة 2-4. مطلوب عالية التردد (> 100 هرتز) التحفيز للحصول على تأثير مفيد في معظم الأهداف الدماغ وبالنسبة لمعظم مؤشرات DBS. الآثار الجانبية للعميقة نتيجة تحفيز الدماغ من coactivation غير مقصود من الألياف الأخرى، والتي تغطيها حجم التحفيز والذي أيد وظائف مختلفة، مثل الجهاز الهرمي. وبالتالي، سيكون من المرغوب فيه لتطوير المعلمات التحفيز، التي تنشط بشكل تفضيلي العناصر العصبية المفيدة، مع تجنب coactivation من عناصر الآثار الجانبية 5،6. على الرغم من علم وظائف الأعصاب قد تقدم مثل هذا التوني على ما يرامخيارات نانوغرام من DBS، كان التقدم العلمي الحد الأدنى خلال العقدين الماضيين، لأنه قد المقام الأول تم تقييم استراتيجيات البرمجة عن طريق "التجربة والخطأ" في المرضى ومقيدة الخيارات البرمجة محدودة من أجهزة DBS المتاحة تجاريا، بدلا من استخدام البصيرة العصبية وحددت الإعدادات التجريبية لاستكشاف منهجي الفضاء المعلمة الكامل.
للتغلب على حاجز متعدية في مجال البحوث DBS نقترحه بروتوكول لفحص المعلمات التحفيز بديلة في نماذج من القوارض الرعاش قبل استكشاف السريري. وعلى غرار مرض باركنسون من جانب واحد في الفئران باستخدام الحقن 6 hydroxydopamine في الحق وسطي الدماغ الأمامي حزمة 7،8. الآفة الناجمة عن ذلك، وصف أكثر مع hemiparkinsonian، يتم تقييمها في اختبار آبومورفين من تقييم درجة دوران بعد جرعة منخفضة حقن آبومورفين وأكد تشريح الجثة من قبل هيدروكسيلاز التيروزين immunohistochemistry. طريقة سهلة لتطبيق وتكرار للغاية، في حين تحمل الوفيات والمراضة منخفضة. العجز الحركي الناتجة منفصلة جدا 7،8. الحيوانات تبدي انخفاض طفيف في مخلب الأيسر المقابل على حد سواء خلال استكشاف عفوية واستيعاب معقدة السلوك 9،10.
لتقييم فعالية بروتوكولات تحفيز الدماغ العميق اختبارات مطلوبة والتي تسمح بقياس تغيير سريع وموثوق بها في الأداء الحركي ويمكن أن تتكرر على مر الزمن مع إعدادات تحفيزا عصبيا مختلفة. وقد اقترحت عدة مجموعات النهج التحفيز المختلفة واختبارات مختلفة لتقييم الوظائف الحركية في الفئران 11 مع نتائج متفاوتة للغاية وغير متناسقة 11-14. الأمر الذي دفعنا إلى اختيار مجموعة من الاختبارات مع ارتفاع التنبؤ صحة والتكامل. بالإضافة إلى ذلك، لتقييم نتائج محرك ظل ظروف تحفيز الدماغ العميق، ويفضل الاختبارات التي يمكن أن يقوم بها العانيملس على اتصال عن طريق كابل إلى المولد التحفيز. لهذه الأغراض أنشأنا لدينا بطارية اختبار يتكون من اختبار واحد للاستخدام مخلب التباين واختبار واحد للوصول إلى المهرة. ويتضح تصميم الدراسة في الشكل 1.
للاستخدام مخلب عفوية أجرينا اختبار اسطوانة وصفها Shallert 15، وهو الاختبار الذي يستخدم على نطاق واسع للاستخدام مخلب خلال استكشاف العمودي. لا يلزم تدريب الحيوان. لتقييم السلوك استيعاب أكثر تعقيدا أنشأنا اختبار الدرج وفقا لمونتويا (16). تم تعديل بروتوكول لدينا وفقا لKloth 17. ويتم تدريب الفئران لمدة اثني عشر يوما في الوصول إلى الكريات من مربع اختبار. بعد فترة التدريب والاختبار يمكن تطبيقها لقياس سلوك استيعاب معقدة عن طريق حساب معدل النجاح صفها بأنها عدد الكريات تؤكل. وتقدم هذه المقالة على تدريب مفصل في مربع درج فضلا عن أداء كل بيهاختبارات avioral تحت ساذجة، hemiparkinsonian وشروط التحفيز العميق للمخ.
Protocol
Representative Results
Discussion
توضح هذه المقالة بروتوكول تدريب مفصل للاسطوانة وسلم الاختبار. تم تصميم هذا الأخير لتقييم السلوك استيعاب معقدة وحركة السيارات غرامة بسبب الوصول إلى المهارة في الفئران 16،17. يتم التعبير عن قياس النتيجة على عدد من الكريات تؤكل أثناء الاختبار، وهو القياس الموضوعي….
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
This work was supported by Interdisziplinäres Zentrum für Klinische Forschung (IZKF), University Clinics Würzburg, Germany (project N-215).
Materials
| Staircase box witout lid | Glas Keil, Germany | custom made | |
| Cylinder box | Glas Keil, Germany | custom made | |
| Dustless precision pellets, 45 mg | Bio Serv | F0021 |
References
- Fasano, A., Lozano, A. M. Deep brain stimulation for movement disorders: 2015 and beyond. Current opinion in neurology. , (2015).
- McIntyre, C. C., Savasta, M., Kerkerian-Le Goff, L., Vitek, J. L. Uncovering the mechanism(s) of action of deep brain stimulation: activation, inhibition, or both. Clinical neurophysiology : official journal of the International Federation of Clinical Neurophysiology. 115, 1239-1248 (2004).
- Deniau, J. M., Degos, B., Bosch, C., Maurice, N. Deep brain stimulation mechanisms: beyond the concept of local functional inhibition. The European journal of neuroscience. 32, 1080-1091 (2010).
- Modolo, J., Legros, A., Thomas, A. W., Beuter, A. Model-driven therapeutic treatment of neurological disorders: reshaping brain rhythms with neuromodulation. Interface focus. 1, 61-74 (2011).
- Groppa, S., et al. Physiological and anatomical decomposition of subthalamic neurostimulation effects in essential tremor. Brain : a journal of neurology. 137, 109-121 (2014).
- Reich, M. M., et al. Short pulse width widens the therapeutic window of subthalamic neurostimulation. Annals of clinical and translational neurology. 2, 427-432 (2015).
- Blandini, F., Armentero, M. T., Martignoni, E. The 6-hydroxydopamine model: news from the past. Parkinsonism & related disorders. 14, 124-129 (2008).
- Bove, J., Perier, C. Neurotoxin-based models of Parkinson’s disease. Neuroscience. 211, 51-76 (2012).
- Metz, G. A., Tse, A., Ballermann, M., Smith, L. K., Fouad, K. The unilateral 6-OHDA rat model of Parkinson’s disease revisited: an electromyographic and behavioural analysis. The European journal of neuroscience. 22, 735-744 (2005).
- Miklyaeva, E. I., Castaneda, E., Whishaw, I. Q. Skilled reaching deficits in unilateral dopamine-depleted rats: impairments in movement and posture and compensatory adjustments. The Journal of neuroscience : the official journal of the Society for Neuroscience. 14, 7148-7158 (1994).
- Li, X. H., et al. High-frequency stimulation of the subthalamic nucleus restores neural and behavioral functions during reaction time task in a rat model of Parkinson’s disease. Journal of neuroscience research. 88, 1510-1521 (2010).
- Darbaky, Y., Forni, C., Amalric, M., Baunez, C. High frequency stimulation of the subthalamic nucleus has beneficial antiparkinsonian effects on motor functions in rats, but less efficiency in a choice reaction time task. The European journal of neuroscience. 18, 951-956 (2003).
- Fang, X., Sugiyama, K., Akamine, S., Namba, H. Improvements in motor behavioral tests during deep brain stimulation of the subthalamic nucleus in rats with different degrees of unilateral parkinsonism. Brain research. 1120, 202-210 (2006).
- Lindemann, C., Krauss, J. K., Schwabe, K. Deep brain stimulation of the subthalamic nucleus in the 6-hydroxydopamine rat model of Parkinson’s disease: effects on sensorimotor gating. Behavioural brain research. 230, 243-250 (2012).
- Schallert, T., Fleming, S. M., Leasure, J. L., Tillerson, J. L., Bland, S. T. CNS plasticity and assessment of forelimb sensorimotor outcome in unilateral rat models of stroke, cortical ablation, parkinsonism and spinal cord injury. Neuropharmacology. 39, 777-787 (2000).
- Montoya, C. P., Campbell-Hope, L. J., Pemberton, K. D., Dunnett, S. B. The ‘staircase test’: a measure of independent forelimb reaching and grasping abilities in rats. Journal of neuroscience. 36, 219-228 (1991).
- Kloth, V., Klein, A., Loettrich, D., Nikkhah, G. Colour-coded pellets increase the sensitivity of the staircase test to differentiate skilled forelimb performances of control and 6-hydroxydopamine lesioned rats. Brain research bulletin. 70, 68-80 (2006).
- Fluri, F., Volkmann, J., Kleinschnitz, C. Microelectrode guided implantation of electrodes into the subthalamic nucleus of rats for long-term deep brain stimulation. JoVE. , (2015).
- Paxinos, G., Watson, C. . The rat brain in stereotactic coordinates. , (2008).
- Nikkhah, G., Rosenthal, C., Hedrich, H. J., Samii, M. Differences in acquisition and full performance in skilled forelimb use as measured by the ‘staircase test’ in five rat strains. Behavioural brain research. 92, 85-95 (1998).
- Angelov, S. D., Dietrich, C., Krauss, J. K., Schwabe, K. Effect of Deep Brain Stimulation in Rats Selectively Bred for Reduced Prepulse Inhibition. Brain stimulation. , (2014).
- de Haas, R., et al. Wireless implantable micro-stimulation device for high frequency bilateral deep brain stimulation in freely moving mice. Journal of neuroscience methods. 209, 113-119 (2012).
- Heo, M. S., et al. Fully Implantable Deep Brain Stimulation System with Wireless Power Transmission for Long-term Use in Rodent Models of Parkinson’s Disease. Journal of Korean Neurosurgical Society. 57, 152-158 (2015).
- Gut, N. K., Winn, P. Deep brain stimulation of different pedunculopontine targets in a novel rodent model of parkinsonism. J. Neurosci. 35, 4792-4803 (2015).
- Whishaw, I. Q., Gorny, B., Foroud, A., Kleim, J. A. Long-Evans and Sprague-Dawley rats have similar skilled reaching success and limb representations in motor cortex but different movements: some cautionary insights into the selection of rat strains for neurobiological motor research. Behavioural brain research. 145, 221-232 (2003).
- Honndorf, S., Lindemann, C., Tollner, K., Gernert, M. Female Wistar rats obtained from different breeders vary in anxiety-like behavior and epileptogenesis. Epilepsy research. 94, 26-38 (2011).
- Jadavji, N. M., Metz, G. A. Sex differences in skilled movement in response to restraint stress and recovery from stress. Behavioural brain research. 195, 251-259 (2008).
- Kucker, S., Tollner, K., Piechotta, M., Gernert, M. Kindling as a model of temporal lobe epilepsy induces bilateral changes in spontaneous striatal activity. Neurobiology of disease. 37, 661-672 (2010).
- Smith, L. K., Metz, G. A. Dietary restriction alters fine motor function in rats. Physiology & behavior. 85, 581-592 (2005).
