Repetitive Transcranial Magnetic Stimulation aan de eenzijdige halfrond van de hersenen van de rat
Summary
We applied repetitive transcranial magnetic stimulation (rTMS) to the unilateral hemisphere of rat brain, by placing a 25-mm figure-8 coil 1 cm lateral to the vertex on the biauricular line and angulating the coil by 45°. An in-house water cooling system was used for rTMS for more than 20 min.
Abstract
Previous rodent models of repetitive transcranial magnetic stimulation (rTMS) adopted whole-brain stimulation instead of unilateral hemispheric rTMS, which is unlike the protocols used for human subjects. We report a successful application of rTMS to the unilateral hemisphere of rat brain. The rTMS was delivered with a low-frequency (1 Hz), high-frequency (20 Hz), or sham stimulation protocol to one side of the brain by using a small 25-mm figure-8 coil. We placed the center of the coil 1 cm lateral to the vertex on the biauricular line and angulated the coil 45° to the ground to minimize a potential direct effect of rTMS on the contralateral cortex. We also used an in-house water cooling system to enable repetitive magnetic stimulation for more than 20 min, even at a 20-Hz stimulation frequency. Increases in the transcriptions of immediate early genes (Arc, Junb, and Egr2) were greater after rTMS than after sham stimulation. After 5 consecutive days of 20-min 1-Hz rTMS, bdnf mRNA expression was significantly higher in stimulated cortex than in contralateral side. The model presented herein will elucidate the molecular mechanisms of rTMS by allowing analysis of the inter-hemispheric difference in its effect.
Introduction
Repetitieve transcraniële magnetische stimulatie (rTMS), een middel voor invasieve hersenstimulatie en neuromodulatie, is toegepast in de behandeling van diverse aandoeningen, zoals centrale pijn 1,2, 3 depressie, migraine 4 en vlakke slag 5-7. Snel veranderende elektrische stroom door rollen op de kop een elektrisch veld op de cerebrale cortex en de resulterende neuronale activatie induceert. Exciteerbaarheid in de cerebrale cortex kan worden gemoduleerd door rTMS, die langer dan 30 minuten na de stimulering beëindigd.
Suggereerde mechanismen van de rTMS na-effect omvatten langetermijnpotentiëring / depressie-achtig effect 8, voorbijgaande verschuiving in ionische balans 9 en metabole veranderingen 10. Bovendien Di Lazzaro et al. suggereren dat intermitterende-theta burst stimulatie beïnvloedt de prikkelende synaptische ingangen darmkanaal piramidale neuronen, zowel in de gestimuleerdeen de contralaterale hemisfeer 11.
Significante beperkingen, echter, hebben de onderzoekers verhinderd vertalen on-bench bewijs om klinische situaties. Ten eerste, in eerdere dierstudies, werd rTMS gebruikt voor whole-brain stimulation 12. Whole-hersenstimulatie is heel anders dan de protocollen die worden gebruikt in humane studies 9. Het andere probleem is gerelateerd aan de duur van de stimulatie. Dit is althans ten dele worden toegeschreven aan het feit dat een efficiënt koelsysteem was beschikbaar voor kleine spoelen in het verleden.
De laatste jaren zijn artikelen verschenen rudimentaire voorstellen te doen voor het overwinnen van deze problemen in de rTMS experiment op kleine dierlijke hersenen. Door deze diermodellen werd aangetoond dat de rattenhersenen toont ook gelijkwaardig corticale exciteerbaarheid veranderingen in de menselijke reactie op laagfrequente rTMS 13. Belangrijker cellulaire en moleculaire mechanismen van rTMS steeds being onderzocht met behulp van dierlijke modellen van rTMS. Een voorbeeld is dat een afzonderlijke soort groeiremmende interneuron bekend is het meest gevoelig voor intermitterende theta burst stimulatie 14 zijn. Knaagdier modellen van rTMS, dus bieden nieuwe mogelijkheden voor het verkennen van veelgevraagde vragen over de moleculaire onderbouwing van rTMS-geïnduceerde veranderingen. Als kleine diermodellen van rTMS kan worden gebruikt in meer laboratoria, kan het sterk versnellen en onderzoek op dit gebied versterken.
We beschrijven nu hoe rTMS toepassing op de eenzijdige hemisfeer van rattenhersenen, een uitbreiding van het eerdere werk 15. Stimulatie geïnduceerde veranderingen werden onderzocht met behulp van micro-positron emissie tomografie (PET) en mRNA microarrays rTMS-geïnduceerde veranderingen in de gestimuleerde cerebrale cortex bestuderen.
Protocol
Representative Results
Discussion
Het primaire doel van deze studie was om een diermodel eenzijdige rTMS voeren. Ofschoon unilateraal stimulering is één van de fundamentele kenmerken van de menselijke rTMS onderzoek veel studies hebben niet in kleine dieren goedgekeurd. Echter Rotenberg et al. 15 EP opgenomen contralaterale met stimulatie van 100% MT met een 8-vormige spoel met een uitwendige diameter van nok 20 mm, terwijl stimulatie met 112,5% en 133,3% MT geproduceerd ipsilaterale en contralaterale leden. Dit kan zij…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
This work was supported by the Korea Research Foundation Grant funded by the Korean Government (KRF-2008-313-E00458). The authors thank Jin-Joo Lee for the technical assistance.
Materials
| Homeothermic blanket with a rectal probe | Harvard apparatus | 507222F | |
| Isoflurane (Forane sol.) | Choongwae | ||
| Propofol (Provive Inj. 1% 20ml) | Claris Lifesciences | ||
| Repetitive magnetic stimulator (Magstim Rapid2) | Magstim Company Ltd | ||
| 25 mm figure-of-8 coil | Magstim Company Ltd | 1165-00 | |
| PET-CT | GE Healthcare | ||
| QIAzol Lysis Reagent | Qiagen | (US Patent No. 5,346,994) | |
| RNeasy Lipid Tissue Mini Kit | Qiagen | 74804 | |
| RNeasy Mini Spin Columns | Qiagen | (Mat No. 1011708) | |
| Agilent 2100 Bioanalyzer | Agilent Technologies | ||
| Ambion Illumina RNA amplification kit | Ambion | ||
| Nanodrop Spectrophotometer | NanoDrop | ND-1000 | |
| Illumina RatRef-12 Expression BeadChip | Illumina, Inc. | ||
| Amersham fluorolink streptavidin-Cy3 | GE Healthcare Bio-Sciences |
References
- Lefaucheur, J. P., et al. Neurogenic pain relief by repetitive transcranial magnetic cortical stimulation depends on the origin and the site of pain. J Neurol Neurosurg Psychiatry. 75 (4), 612-616 (2004).
- Hirayama, A., et al. Reduction of intractable deafferentation pain by navigation-guided repetitive transcranial magnetic stimulation of the primary motor cortex. Pain. 122 (1-2), 22-27 (2006).
- O’Reardon, J. P., et al. Efficacy and safety of transcranial magnetic stimulation in the acute treatment of major depression: a multisite randomized controlled trial. Biol Psychiatry. 62 (11), 1208-1216 (2007).
- Brighina, F., et al. Facilitatory effects of 1 Hz rTMS in motor cortex of patients affected by migraine with aura. Exp Brain Res. 161 (1), 34-38 (2005).
- Lefaucheur, J. P. Stroke recovery can be enhanced by using repetitive transcranial magnetic stimulation (rTMS). Neurophysiol Clin. 36 (3), 105-115 (2006).
- Khedr, E. M., Ahmed, M. A., Fathy, N., Rothwell, J. C. Therapeutic trial of repetitive transcranial magnetic stimulation after acute ischemic stroke. Neurology. 65 (3), 466-468 (2005).
- Fregni, F., et al. A sham-controlled trial of a 5-day course of repetitive transcranial magnetic stimulation of the unaffected hemisphere in stroke patients. Stroke. 37 (8), 2115-2122 (2006).
- Pascual-Leone, A., Valls-Sole, J., Wassermann, E. M., Hallett, M. Responses to rapid-rate transcranial magnetic stimulation of the human motor cortex. Brain. 117 (4), 847-858 (1994).
- Ridding, M. C., Rothwell, J. C. Is there a future for therapeutic use of transcranial magnetic stimulation). Nat Rev Neurosci. 8 (7), 559-567 (2007).
- Valero-Cabre, A., Payne, B. R., Pascual-Leone, A. Opposite impact on 14C-2-deoxyglucose brain metabolism following patterns of high and low frequency repetitive transcranial magnetic stimulation in the posterior parietal cortex. Exp Brain Res. 176 (4), 603-615 (2007).
- Di Lazzaro, V., et al. The physiological basis of the effects of intermittent theta burst stimulation of the human motor cortex. J Physiol. 586 (16), 3871-3879 (2008).
- Post, A., Keck, M. E. Transcranial magnetic stimulation as a therapeutic tool in psychiatry: what do we know about the neurobiological mechanisms. J Psychiatr Res. 35 (4), 193-215 (2001).
- Muller, P. A., Dhamne, S. C., Vahabzadeh-Hagh, A. M., Pascual-Leone, A., Jensen, F. E., Rotenberg, A. Suppression of motor cortical excitability in anesthetized rats by low frequency repetitive transcranial magnetic stimulation. PLoS One. 9 (3), 91065 (2014).
- Funke, K., Benali, A. Modulation of cortical inhibition by rTMS – findings obtained from animal models. J Physiol. 589 (18), 4423-4435 (2011).
- Rotenberg, A., et al. Lateralization of forelimb motor evoked potentials by transcranial magnetic stimulation in rats. Clin Neurophysiol. 121 (1), 104-108 (2010).
- Beom, J., Kim, W., Han, T. R., Seo, K. S., Oh, B. M. Concurrent use of granulocyte-colony stimulating factor with repetitive transcranial magnetic stimulation did not enhance recovery of function in the early subacute stroke in rats. Neurol Sci. 36 (5), 771-777 (2015).
- Haghighi, S. S., Green, K. D., Oro, J. J., Drake, R. K., Kracke, G. R. Depressive effect of isoflurane anesthesia on motor evoked potentials. Neurosurgery. 26, 993-997 (1990).
- Fishback, A. S., Shields, C. B., Linden, R. D., Zhang, Y. P., Burke, D. The effects of propofol on rat transcranial magnetic motor evoked potentials. Neurosurgery. 37 (5), 969-974 (1995).
- Rohde, V., Krombach, G. A., Baumert, J. H., Kreitschmann-Andermahr, I., Weinzierl, M., Gilsbach, J. M. Measurement of motor evoked potentials following repetitive magnetic motor cortex stimulation during isoflurane or propofol anaesthesia. Br J Anaesth. 91 (4), 487-492 (2003).
- Lee, S. A., Oh, B. M., Kim, S. J., Paik, N. J. The molecular evidence of neural plasticity induced by cerebellar repetitive transcranial magnetic stimulation in the rat brain: a preliminary report. Neurosci Lett. 575, 47-52 (2014).
- Fu, Y. K., et al. Imaging of regional metabolic activity by (18)F-FDG/PET in rats with transient cerebral ischemia. Appl Radiat Isot. 67 (18), 1743-1747 (2009).
- Silveyra, P., Catalano, P. N., Lux-Lantos, V., Libertun, C. Impact of proestrous milieu on expression of orexin receptors and prepro-orexin in rat hypothalamus and hypophysis: actions of Cetrorelix and Nembutal. Am J Physiol Endocrinol Metab. 292 (3), 820-828 (2007).
- Zidek, N., Hellmann, J., Kramer, P. J., Hewitt, P. G. Acute hepatotoxicity: a predictive model based on focused illumina microarrays. Toxicol Sci. 99 (1), 289-302 (2007).
- Hsieh, T. H., Dhamne, S. C., Chen, J. J., Pascual-Leone, A., Jensen, F. E., Rotenberg, A. A new measure of cortical inhibition by mechanomyography and paired-pulse transcranial magnetic stimulation in unanesthetized rats. J Neurophysiol. 107 (3), 966-972 (2012).
- Salvador, R., Miranda, P. C. Transcranial magnetic stimulation of small animals: a modeling study of the influence of coil geometry, size and orientation. Conf Proc IEEE Eng Med Biol Soc. 2009, 674-677 (2009).
- Parthoens, J., Verhaeghe, J., Servaes, S., Miranda, A., Stroobants, S., Staelens, S. Performance Characterization of an Actively Cooled Repetitive Transcranial Magnetic Stimulation Coil for the Rat. Neuromodulation. , (2016).
- Toro, R., et al. Brain size and folding of the human cerebral cortex. Cereb Cortex. 18 (10), 2352-2357 (2008).
