تحفيز المخ الكهربائي Transcranial في القوارض التنبيه
Summary
ويصف هذا البروتوكول مجموعة العمليات جراحية لمآخذ توصيل قطب ابيكرانيال دائمة ومسرى صدر مزروع في القوارض. عن طريق وضع قطب ثاني في المقبس، يمكن تسليم أنواع مختلفة لتحفيز المخ الكهربائي transcranial للنظام المحرك في الحيوانات التنبيه عن طريق الجمجمة سليمة.
Abstract
يمكن أن تعدل الدماغ الكهربائي Transcranial التحفيز استثارة القشرية واللدونه في البشر والقوارض. هو الشكل الأكثر شيوعاً للتحفيز في البشر transcranial التحفيز التيار المباشر (تدكس). أقل تواترا، transcranial التحفيز التيار المتردد (صيدها) أو transcranial التحفيز ضجيج عشوائي (ترنس)، شكلاً محدداً من صيدها باستخدام تيار كهربائي يطبق عشوائياً ضمن نطاق الترددات محددة مسبقاً، يتم استخدامه. قد أثمر زيادة البحوث تحفيز الدماغ الكهربائية موسع في البشر، سواء للأغراض التجريبية والسريرية، وازدياد حاجة إلى دراسات السلامة الأساسية، والميكانيكية، في الحيوانات. توضح هذه المقالة نموذج لتحفيز المخ الكهربائي transcranial (الامتحانات) عن طريق الجمجمة سليمة تستهدف النظام المحرك في القوارض التنبيه. ينص البروتوكول على إرشادات خطوة بخطوة لإنشاء العمليات الجراحية من مأخذ توصيل القطب ابيكرانيال الدائم جنبا إلى جنب مع قطب كهربائي عداد مزروع على صدره. عن طريق وضع قطب تحفيز بالمقبس ابيكرانيال، يمكن أن تقدم أنواع مختلفة من التحفيز الكهربائي، قابلة للمقارنة إلى تدكس وصيدها ترنس في البشر،. وعلاوة على ذلك، يتم عرض الخطوات العملية للامتحانات في القوارض التنبيه. ويمكن اختيار الكثافة الحالية المطبقة، ومدة التحفيز، وتحفيز نوع تبعاً للاحتياجات التجريبية. وتناقش المحاذير، ومزايا وعيوب هذا التشكيل، فضلا عن السلامة والجوانب قابلية التحمل.
Introduction
وقد استخدمت الإدارة transcranial من التيارات الكهربائية في الدماغ (الامتحانات) لعقود لدراسة وظيفة المخ وتعديل السلوك. أكثر في الآونة الأخيرة، تطبيق مباشر التيارات، أو أقل تواترا التيارات المتردد (صيدها وترنس)، نونينفاسيفيلي عن طريق الجمجمة سليمة استخدام أقطاب اثنين أو أكثر (anode(s) و cathode(s)) وقد اكتسب الاهتمام العلمي والسريري. على وجه الخصوص، قد استخدمت في الدورات أكثر من 33,200 في الأصحاء والمرضى الذين يعانون من الأمراض العصبية تدكس وقد برز كآمنة وسهلة، تطبيق السرير فعالة من حيث التكلفة، مع الإمكانيات العلاجية الممكنة، فضلا عن فترة طويلة 1من الآثار السلوكية. وضوح هذا أسفر عن ازدياد الحاجة والاهتمام العلمي في الدراسات الميكانيكية، بما في ذلك الجوانب المتعلقة بالسلامة. تركز هذه المقالة على النموذج الأكثر استخداماً من التحفيز، تدكس.
عبر الأنواع، ينظم تدكس استثارة القشرية واللدونه متشابك. أفيد عن استثارة التغييرات كتغيير القطبية تعتمد على معدل إطلاق العصبية عفوية في الجرذان والقطط2،،من34أو التغييرات في موتور مقولة ستريك المحتملة (الهندسة الكهربائية والميكانيكية) في البشر والفئران ( زاد بعد أنودال وانخفض بعد تدكس كاثودال:6من البشرية5،؛ 7من الماوس). وحدات تحكم المجال DC أنودال زيادة كفاءة المحركات القشرية متشابك أو هيبوكامبال synapses في المختبر لعدة ساعات بعد التحفيز أو طويلة الأجل التقوية (الكمونية)، عندما تطبق يشترك مع أحد مدخلات متشابك ضعيفة محددة، أو عندما تعطي قبل اللدونة حمل التحفيز8،،من910،،من1112. ، وفقا غالباً ما يتم كشف فوائد التحفيز على نجاح التدريب الحركي أو المعرفي إلا إذا تدكس التطبيقية يشترك مع التدريب8،13،،من1415. في حين أن هذه النتائج السابقة تعزى أساسا إلى وظائف الخلايا العصبية، تجدر الإشارة إلى أن الخلايا غير العصبية (إطلاق) قد يسهم أيضا في الآثار الفنية من تدكس. على سبيل المثال، زيادة مستويات الكالسيوم داخل الخلايا أستروسيتيك أثناء تدكس أنودال في الفئران تنبيه16. وبالمثل، تدكس أنودال في الكثافة الحالية عن عتبة نيوروديجينيريشن التي يسببها تنشيط تعتمد جرعة microglia17. ومع ذلك، تحوير العصبية-إطلاق التفاعل تدكس يحتاج إلى مزيد من التحقيق المحددة.
البحوث الحيوانية معا، واتخذت متقدمة وضوح فهمنا لتأثير تدكس مودولاتوري على استثارة واللدونه. ومع ذلك، هناك ملاحظ “فجوة عكسية متعدية الجنسيات” في الزيادة المطردة في منشورات الدراسات تدكس البشرية على عكس البطيئة وزيادة طفيفة في التحقيقات المتعلقة بالآليات الكامنة للامتحانات في المختبر و الحية نماذج حيوانية. بالإضافة إلى ذلك، يتم تنفيذ نماذج الامتحانات القوارض مع تقلب عالية عبر مختبرات البحوث (تتراوح عبر الجلد لتحفيز ابيكرانيال)، وإجراءات حفز عنها غالباً ما لا تتسم بالشفافية الكاملة التي تعوق إمكانية المقارنة بين و تكرار البيانات البحثية الأساسية، فضلا عن تفسير النتائج.
هنا، نحن تصف بالتفصيل تنفيذ العمليات الجراحية لهيكل تحفيز الدماغ transcranial استهداف القشرة الحركية الأولية، الذي يسمح الترجمة إلى شرط تدكس البشرية مع التقليل من التباين، ويسمح للتحفيز المتكرر دون يعيق السلوك. يتوفر بروتوكول خطوة بخطوة للامتحانات اللاحقة في الفئران التنبيه. وتناقش الجوانب المنهجية والمفاهيمية للاستخدام الأمن للامتحانات في القوارض التنبيه.
Protocol
Representative Results
Discussion
ويصف هذا البروتوكول مواد نموذجية والخطوات الإجرائية للأعمال الجراحية لهيكل دائم قسم التدريب والامتحانات، فضلا عن حفز اللاحقة في القوارض التنبيه. أثناء إعداد القوارض تجربة قسم التدريب والامتحانات، العديد من الجوانب المنهجية (السلامة وقابلية التحمل لقسم التدريب والامتحانات، نتائج المع?…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
وأيد هذا العمل “مؤسسة البحوث الألمانية” (DFG RE 2740/3-1). ونشكر هايتي فرانك وتوماس غونتر لإنتاج داخلي لإنشاء قسم التدريب والامتحانات مصنوعة خصيصا ومشجعا DC.
Materials
| Softasept N | B. Braun Melsungen AG, Melsungen, Deutschland |
3887138 | antiseptic agent |
| Ethanol 70 % | Carl Roth GmbH & Co. KG, Karlsruhe, Deutschland | T913.1 | |
| arched tip forceps | FST Fine science tools, Heidelberg, Deutschland | 11071-10 | |
| Iris Forceps, 10cm, Straight, Serrated | World Precision Instruments, Inc, Sarasota, FL, USA, Inc, Sarasota, FL, USA | 15914 | |
| Scalpel Handle #3, 13cm | World Precision Instruments, Inc, Sarasota, FL, USA, Inc, Sarasota, FL, USA | 500236 | |
| Standard Scalpel Blade #10 | World Precision Instruments, Inc, Sarasota, FL, USA, Inc, Sarasota, FL, USA | 500239 | |
| Zelletten cellulose swabs | Lohmann und Rauscher, Neuwied, Deutschland | 13349 | 5 x 4 cm |
| Isoflurane | AbbVie Deutschland GmbH & Co | N01AB06 | |
| Iris Scissors, 11.5cm, Straight | World Precision Instruments, Inc, Sarasota, FL, USA, Inc, Sarasota, FL, USA | 501758 | small scissors |
| cotton swab/cotton buds | Carl Roth GmbH & Co. KG, Karlsruhe, Deutschland | EH12.1 | Rotilabo |
| Kelly Hemostatic Forceps, 14cm, Straight | World Precision Instruments, Inc, Sarasota, FL, USA, Inc, Sarasota, FL, USA | 501241 | surgical clamp |
| electrode plate (platinum) | custom made | Wissenschaftliche Werkstatt Neurozentrum Uniklinik Freiburg, Deutschland | 10×6 mm, 0.15 mm thickness |
| insulated copper strands (~1 mm diameter) | Reichelt elektronik GmbH & Co. KG, Sande, Germany | LITZE BL | electrode cable |
| Weller EC 2002 M soldering station | Weller Tools GmbH, Besigheim, Germany | EC2002M1D | |
| Iso-Core EL 0,5 mm | FELDER GMBH Löttechnik, Oberhausen, Deutschland | 20970510 | lead free solder |
| MERSILENE Polyester Fiber Suture | Johnson & Johnson Medical GmbH, Ethicon Deutschland, Norderstedt, Germany | R871H | nonabsorbable braided suture, 4-0 |
| Histoacryl | B. Braun Melsungen AG, Melsungen, Deutschland |
9381104 | cyanoacrylate |
| Ketamin 10% | Medistar GmbH, Germany | n/a | anesthetics |
| Rompun 2% (Xylazine) | Bayer GmbH, Germany | n/a | anesthetics |
References
- Bikson, M., et al. Safety of Transcranial Direct Current Stimulation: Evidence Based Update 2016. Brain Stimul. 9 (5), 641-661 (2016).
- Bindman, L. J., Lippold, O. C., Redfearn, J. W. The action of brief polarizing currents on the cerebral cortex of the rat (1) during current flow and (2) in the production of long-lasting after-effects. J Physiol. 172, 369-382 (1964).
- Gartside, I. B. Mechanisms of sustained increases of firing rate of neurones in the rat cerebral cortex after polarization: role of protein synthesis. Nature. 220 (5165), 382-383 (1968).
- Purpura, D. P., McMurtry, J. G. Intracellular activities and potential changes during polarization of motor cortex. Neurophysiol. 28 (1), 166-185 (1965).
- Nitsche, M., Paulus, W. Excitability changes induced in the human motor cortex by weak transcranial direct current stimulation. J Physiol. 527 (Pt 3), 633-639 (2000).
- Nitsche, M. A., Paulus, W. Sustained excitability elevations induced by transcranial DC motor cortex stimulation in humans. Neurology. 57 (10), 1899-1901 (2001).
- Cambiaghi, M., et al. Brain transcranial direct current stimulation modulates motor excitability in mice. Eur J Neuro. 31 (4), 704-709 (2010).
- Fritsch, B., et al. Direct current stimulation promotes BDNF-dependent synaptic plasticity: potential implications for motor learning. Neuron. 66 (2), 198-204 (2010).
- Ranieri, F., et al. Modulation of LTP at rat hippocampal CA3-CA1 synapses by direct current stimulation. J Neurophysiol. 107 (7), 1868-1880 (2012).
- Kronberg, G., Bridi, M., Abel, T., Bikson, M., Parra, L. C. Direct Current Stimulation Modulates LTP and LTD: Activity Dependence and Dendritic Effects. Brain Stimul. 10 (November), 51-58 (2016).
- Sun, Y., et al. Direct current stimulation induces mGluR5-dependent neocortical plasticity. Ann Neurol. 80 (2), 233-246 (2016).
- Podda, M. V., et al. Anodal transcranial direct current stimulation boosts synaptic plasticity and memory in mice via epigenetic regulation of Bdnf expression. Sci Rep. 6, 22180 (2016).
- Reis, J., Fritsch, B. Modulation of motor performance and motor learning by transcranial direct current stimulation. Curr opin Neurology. 24 (6), 590-596 (2011).
- Buch, E. R., et al. Effects of tDCS on motor learning and memory formation a consensus and critical position paper. Clin Neurophysiol. 128 (4), 589-603 (2017).
- Reis, J., Fischer, J. T., Prichard, G., Weiller, C., Cohen, L. G., Fritsch, B. Time- but not sleep-dependent consolidation of tDCS-enhanced visuomotor skills. Cerebral cortex. 25 (1), 109-117 (2015).
- Monai, H., et al. Calcium imaging reveals glial involvement in transcranial direct current stimulation-induced plasticity in mouse brain. Nature Comm. 7, 11100 (2016).
- Gellner, A. -. K., Reis, J., Fritsch, B. Glia: A Neglected Player in Non-invasive Direct Current Brain Stimulation. Front Cell Neurosci. 10, 188 (2016).
- Takano, Y., Yokawa, T., Masuda, A., Niimi, J., Tanaka, S., Hironaka, N. A rat model for measuring the effectiveness of transcranial direct current stimulation using fMRI. Neurosci Lett. 491 (1), 40-43 (2011).
- Islam, N., Moriwaki, A., Hattori, Y., Hori, Y. Anodal polarization induces protein kinase C gamma (PKC gamma)-like immunoreactivity in the rat cerebral cortex. Neurosci Res. 21, 169-172 (1994).
- Islam, N., Aftabuddin, M., Moriwaki, A., Hattori, Y., Hori, Y. Increase in the calcium level following anodal polarization in the rat brain. Brain Res. 684 (2), 206-208 (1995).
- Rohan, J. G., Carhuatanta, K. A., McInturf, S. M., Miklasevich, M. K., Jankord, R. Modulating Hippocampal Plasticity with In Vivo Brain Stimulation. J Neurosci. 35 (37), 12824-12832 (2015).
- Wachter, D., et al. Transcranial direct current stimulation induces polarity-specific changes of cortical blood perfusion in the rat. Exp Neurol. 227 (2), 322-327 (2011).
- Koo, H., et al. After-effects of anodal transcranial direct current stimulation on the excitability of the motor cortex in rats. Rest Neurol Neurosci. 34 (5), 859-868 (2016).
- Liebetanz, D., et al. After-effects of transcranial direct current stimulation (tDCS) on cortical spreading depression. Neurosci Lett. 398 (1-2), 85-90 (2006).
- Fregni, F., et al. Effects of transcranial direct current stimulation coupled with repetitive electrical stimulation on cortical spreading depression. Exp Neurol. 204 (1), 462-466 (2007).
- Cambiaghi, M., et al. Flash visual evoked potentials in mice can be modulated by transcranial direct current stimulation. Neurosci. 185, 161-165 (2011).
- Dockery, C. A., Liebetanz, D., Birbaumer, N., Malinowska, M., Wesierska, M. J. Cumulative benefits of frontal transcranial direct current stimulation on visuospatial working memory training and skill learning in rats. Neurobiol Learn Mem. 96 (3), 452-460 (2011).
- Faraji, J., Gomez-Palacio-Schjetnan, A., Luczak, A., Metz, G. A. Beyond the silence: Bilateral somatosensory stimulation enhances skilled movement quality and neural density in intact behaving rats. Behav Brain Res. 253, 78-89 (2013).
- Pikhovych, A., et al. Transcranial Direct Current Stimulation Modulates Neurogenesis and Microglia Activation in the Mouse Brain. Stem Cells In. , 1-10 (2016).
- Rueger, M. A., et al. Multi-session transcranial direct current stimulation (tDCS) elicits inflammatory and regenerative processes in the rat brain. PloS one. 7 (8), e43776 (2012).
- Liebetanz, D., Koch, R., Mayenfels, S., König, F., Paulus, W., Nitsche, M. A. Safety limits of cathodal transcranial direct current stimulation in rats. Clinical Neurophysiol. 120 (6), 1161-1167 (2009).
- Yoon, K. J., Oh, B. -. M., Kim, D. -. Y. Functional improvement and neuroplastic effects of anodal transcranial direct current stimulation (tDCS) delivered 1 day vs. 1 week after cerebral ischemia in rats. Brain Res. 1452, 61-72 (2012).
- Spezia Adachi, L. N., et al. Exogenously induced brain activation regulates neuronal activity by top-down modulation: conceptualized model for electrical brain stimulation. Exp Brain Res. 233 (5), 1377-1389 (2015).
- Jackson, M. P., et al. Safety parameter considerations of anodal transcranial Direct Current Stimulation in rats. Brain, behavior, and immunity. , (2017).
- Ordek, G., Groth, J. D., Sahin, M. Differential effects of ketamine/xylazine anesthesia on the cerebral and cerebellar cortical activities in the rat. J Neurophysiol. 109 (5), 1435-1443 (2013).
- Sykes, M., et al. Differences in Motor Evoked Potentials Induced in Rats by Transcranial Magnetic Stimulation under Two Separate Anesthetics: Implications for Plasticity Studies. Front Neural Circ. 10, 80 (2016).
- Zhang, D. X., Levy, W. B. Ketamine blocks the induction of LTP at the lateral entorhinal cortex-dentate gyrus synapses. Brain Res. 593 (1), 124-127 (1992).
