Транскраниальной стимуляции мозга электрической оповещения грызунов
Summary
Этот протокол описывает хирургическая установка для постоянного надчерепное электрод сокет и имплантированных груди электрода в грызунов. Размещая Второй электрод в гнездо, различные типы электрических мозга транскраниальной стимуляции может быть доставлен двигательной системы оповещения животных через нетронутыми череп.
Abstract
Транскраниальной стимуляции электрическими мозга может модулировать корковой возбудимости и пластичности в организме человека и грызуны. Наиболее распространенной формой стимулирования в организме человека является постоянного тока транскраниальной стимуляции (ЦТД). Менее часто переменного тока транскраниальной стимуляции (ОДУ) или транскраниальной стимуляции случайный шум (tRNS), конкретной форме tACS с помощью электрического тока применяется случайно в течение предварительно определенный частотный диапазон, используется. Увеличение исследования стимуляции неинвазивной электрические мозга у людей, как для экспериментальных и клинических целей, принесло повышенная потребность в базовых, механистических, безопасность исследования на животных. Эта статья описывает модель для транскраниальной стимуляции электрическими мозга (tES) через нетронутыми череп ориентации двигательной системы оповещения грызунов. Протокол содержит пошаговые инструкции для хирургической установки постоянного надчерепное электрода сокета в сочетании с имплантированным счетчика электрода на груди. Размещая электрод стимуляции в гнездо надчерепное, различные электрической стимуляции типы, сопоставимые с ЦТД, ОДУ и tRNS в организме человека, могут быть доставлены. Кроме того введены практические шаги для tES оповещения грызунов. Прикладной плотности тока, длительность стимуляции и тип стимуляции могут быть выбраны экспериментальные зависимости. Обсуждаются предостережения, преимущества и недостатки этой системы, а также вопросы безопасности и переносимости.
Introduction
Транскраниальная администрации электрических токов в мозг (tES) был использован на протяжении десятилетий для изучения функции мозга и изменения поведения. Совсем недавно, применяя прямые токи, или реже переменных токов (ОДУ и tRNS), неинвазивно через нетронутыми череп с использованием двух или более электродов (anode(s) и cathode(s)) приобрела научный и клинический интерес. В частности ЦТД была использована в более чем 33200 сессий в здоровых испытуемых и психоневрологических больных и возникла как безопасный и простой, экономически прикроватные приложение, с возможным терапевтический потенциал, а также долгосрочные поведенческие эффекты1. Это явно принесли увеличение потребности и научный интерес в механистической исследований, включая аспекты безопасности. Эта статья посвящена наиболее часто используемые формы стимуляции, ЦТД.
Различных видов ЦТД модулирует корковой возбудимости и синаптической пластичности. Возбудимость изменения были зарегистрированы как полярности зависимые изменения скорости спонтанного нейронов стрельбы в крыс и кошек2,3,4, или как изменения в мотор вызвала потенциальных амплитуд (MEP) в людей и мышей ( Оба увеличился после одна и снизился после cathodal ЦТД:6человека5,; 7мыши). Одна DCS увеличили синаптическую эффективность двигателя корковых или гиппокампа синапсов в vitro на несколько часов после стимуляции или долгосрочной перспективе потенцирование (LTP), когда применяется совместно с конкретных слабых синаптических ввода или когда перед пластичности вызывая стимуляции8,9,10,,1112. В соответствии, преимущества стимуляции на мотор или когнитивных подготовки успех часто выявляются только если ЦТД совместно прикладной подготовки8,13,14,15. Хотя эти предыдущие выводы обусловлены главным образом функций нейронов, следует отметить, что не нейрональные клетки (ГЛИА) может также способствовать функциональных последствий ЦТД. Например уровни Астроцитарная внутриклеточного кальция увеличилась во время одна ЦТД в оповещения мышей16. Аналогичным образом одна ЦТД в плотностях тока ниже порога для нейродегенеративные индуцированной дозы зависимой активации микроглии17. Однако модуляция взаимодействия нейронов и глии, ЦТД требует дальнейшего конкретного расследования.
Взятых вместе, животных исследования ясно передовые наше понимание модулирующее влияние ЦТД на возбудимость и пластичности. Однако есть наблюдаемый объект «обратная трансляционная разрыв» в экспоненциальный рост публикаций исследований человеческого ЦТД, в отличие от медленного и незначительное увеличение исследования основных механизмов tES в в пробирке и in vivo Животные модели. Кроме того, грызун tES модели выполняются с высокой изменчивости различных научно-исследовательских лабораторий (начиная от Трансдермальные надчерепное стимуляции), и сообщил стимуляции процедуры часто не полностью прозрачным, препятствует сопоставимости и воспроизводимость данных базовых исследований, а также интерпретации результатов.
Здесь мы подробно описать хирургические осуществление транскраниальной мозга стимуляции настройки таргетинга первичной моторной коры, которая позволяет перевод на состояние человека ЦТД при минимизации изменчивости и позволяет без повторной стимуляции препятствование поведение. Предоставляется пошаговое протокол для последующего tES оповещения крыс. Обсуждаются методологической и концептуальной аспекты безопасного применения tES оповещения грызунов.
Protocol
Representative Results
Discussion
Этот протокол описывает типичные материалы и процедурные шаги для хирургического реализации постоянного tES настройки, а также для последующей стимуляции оповещения грызунов. В ходе подготовки грызунов, которые tES эксперимент, некоторые методологические аспекты (безопасность и перено…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Эта работа была поддержана немецкого фонда научных исследований (DFG RE 2740/3-1). Мы благодарим Фрэнк Huethe и Томас Günther для собственного производства на заказ tES set-up и DC-стимулятор.
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).
