טראנס גירוי חשמלי מוחי בחולדות התראה
Summary
פרוטוקול זה מתאר מלכודת כירורגי שקע אלקטרודה epicranial קבוע, אלקטרודה חזה מושתל בחולדות. על ידי הצבת של האלקטרודה השנייה לתוך השקע, סוגים שונים של גירוי חשמלי מוחי טראנס יכולים להינתן על מערכת התנועה בבעלי התראה דרך הגולגולת ללא פגע.
Abstract
גירוי חשמלי מוחי טראנס יכול לווסת דעתנית קורטיקליים ופלסטיות של בני אדם ומכרסמים. הצורה הנפוצה ביותר של גירוי אצל בני אדם הוא גירוי זרם ישיר טראנס (tDCS). בתדירות נמוכה יותר, טראנס זרם חילופין גירוי (טק) או טראנס רעש אקראי גירוי (tRNS), צורה מסוימת של טק באמצעות זרם חשמלי מוחל באופן אקראי בטווח תדר מוגדר מראש, משמש. העלייה חקר גירוי המוח החשמלי לא פולשנית בבני אדם, שניהם למטרות ניסויים קליניים, הניב צורך מוגבר בטיחות בסיסי, מכניסטית, מחקרים בבעלי חיים. מאמר זה מתאר מודל גירוי חשמלי מוחי טראנס (מלון טס) דרך הגולגולת שלם פילוח של המערכת המוטורית בחולדות התראה. הפרוטוקול מספק הוראות שלב אחר שלב הסידור כירורגי של שקע אלקטרודה epicranial קבועה בשילוב עם אלקטרודה מונה מושתל על החזה. על ידי הצבת של אלקטרודה לגירוי לתוך השקע epicranial, סוגי גירוי חשמלי שונים, להשוות tDCS טק, tRNS בבני אדם, יכולים להיגאל. יתר על כן, הם הציגו את צעדים מעשיים עבור מלון טס בחולדות התראה. צפיפות זרם יישומית, גירוי משך וסוג גירוי עשוי להיבחר בהתאם לצרכים ניסיוני. אזהרות, היתרונות והחסרונות של זה נידונות, כמו גם בטיחות וסבילות היבטים.
Introduction
הממשל טראנס של זרמים חשמליים למוח (מלון טס) שימש במשך עשרות שנים ללמוד את תפקוד המוח, כדי לשנות את ההתנהגות. יותר לאחרונה, החלת ישיר, זרמים, או בתדירות נמוכה יותר זרמים חשמליים (טק ו- tRNS), noninvasively דרך הגולגולת ללא פגע על ידי שימוש אלקטרודות שניים או יותר (anode(s) ו- cathode(s)) צבר ריבית מדעית וקלינית. בפרט, tDCS שימש בהפעלות יותר 33,200 לנסיינים בריאים, חולים עם מחלות מנוטלי, התפתחה כמו כספת ופשוט, יישום המיטה חסכונית, עם הפוטנציאל הטיפולי אפשרי, כמו גם לטווח ארוך תופעות התנהגותיות1. זה בבירור הניב את הצורך המוגבר ואת עניין מדעי במחקרים מכניסטית, כולל היבטי בטיחות. מאמר זה מתמקד הצורה הנפוצה ביותר של גירוי, tDCS.
על פני מינים, tDCS ממיקרו דעתנית קורטיקליים ופלסטיות סינפטית. שינויים דעתנית דווחו תלויי-קוטביות שינוי של קצב ירי עצביים ספונטנית חולדות וחתולים2,3,4, או שינויים מנוע עורר פוטנציאליים (חבר הפרלמנט האירופי) amplitudes בין בני אדם (עכברים שניהם גדל ואחרי anodal ירד לאחר cathodal tDCS: האדם5,6; העכבר7). Anodal DCS גדלה היעילות סינפטית של מנוע בקליפת המוח או בהיפוקמפוס synapses במבחנה למשך מספר שעות לאחר גירוי או potentiation לטווח ארוך (LTP), כאשר שיתוף להחיל עם קלט מסוים סינפטית חלש או כאשר ניתנת לפני הפלסטיות וגורם לגירוי8,9,10,11,12. בהתאמה, היתרונות של גירוי על הצלחה אימונים מוטוריים או קוגניטיבי לעיתים קרובות מתגלים רק אם tDCS הוא שותף יישומית עם הדרכה8,13,14,15. בעוד ממצאים קודמים אלה מיוחסות בעיקר פונקציות של נוירונים, יצוין כי תאים שאינם עצבית (עכשיו, דונלד) עשוי לתרום גם תפקודית השפעות tDCS. למשל, רמות הסידן תאיים astrocytic גדל במהלך tDCS anodal עכברים התראה16. באופן דומה, tDCS anodal-צפיפות זרם מתחת לסף עבור הקשורים ניוון מוחיים המושרה הפעלה התלויים של מינון של מיקרוגלייה17. עם זאת, מודולציה של נוירון-עכשיו, דונלד אינטראקציה באמצעות tDCS צריך עוד חקירה ספציפיות.
מחקר ביחד, בעלי חיים צילום מתקדמות בבירור ההבנה שלנו של השפעת modulatory tDCS דעתנית, פלסטיות. עם זאת, יש נצפות “הפער translational הופכי” גידול מעריכי בפרסומי מחקרים tDCS אנושי בניגוד להאטה, קטין עלייה חקירות של המנגנון הבסיסי של מלון טס במבחנה , ויוו בבעלי חיים. בנוסף, מלון טס מכרסמים מודלים מבוצעים עם השתנות גבוהה מעבר מעבדות מחקר (החל transdermal גירוי epicranial), גירוי דווח על ההליכים הם לעתים קרובות אינם שקופים לגמרי. הפרעה comparability של ו replicability של מחקר בסיסי נתונים, כמו גם פרשנות של תוצאות.
כאן נתאר בפירוט מימוש מלכודת גירוי המוח טראנס מיקוד קליפת המוח המוטורית העיקרי, אשר מאפשר תרגום התנאי tDCS האנושי תוך מזעור השתנות, ומאפשר גירוי חוזרות ללא ניתוח הפרעה ההתנהגות. פרוטוקול צעד אחר צעד עבור מלון טס עוקבות בחולדות התראה מסופק. נדונים היבטים מתודולוגיים הרעיוני של היישום בטוח של מלון טס בחולדות התראה.
Protocol
Representative Results
Discussion
פרוטוקול זה מתאר ושלבי למימוש כירורגי מלכודת מלון טס קבוע, כמו גם לגירוי עוקבות בחולדות התראה וחומרים טיפוסי. במהלך הכנת מכרסם מלון טס ניסוי, מספר היבטים מתודולוגיים (הבטיחות והסבילות של מלון טס, התוצאה פרמטר), כמו גם היבטים קונספטואליים (comparability עם מצב האדם, ההשפעה הצפויה של גירוי על מוח מס…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
עבודה זו נתמכה על ידי קרן מחקר גרמני (DFG RE 2740/3-1). אנו מודים פרנק Huethe, תומאס גינתר לייצור שבאתר מלון טס מחוייט הקמה DC-מגרה.
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).
