Transkraniyal elektrik beyin stimülasyonu uyarı Rodents
Summary
Bu iletişim kuralı bir cerrahi kurulum için kalıcı epicranial elektrot soket ve implante göğüs Puarı Rodents açıklar. İkinci bir elektrot yuvaya yerleştirerek, Transkraniyal elektrik beyin stimülasyonu farklı türde uyarı hayvanlarda olduğu gibi kafatası ile motor sistemi teslim edilemez.
Abstract
Transkraniyal elektrik beyin stimülasyonu kortikal uyarılabilirlik ve plastisite insanlar ve kemirgenler modüle. Stimülasyon insanlarda en sık görülen Transkraniyal doğru akım stimülasyon (tDCS) olduğunu. Daha az sıklıkla Transkraniyal alternatif akım stimülasyon (şeker) veya Transkraniyal rasgele gürültü stimülasyon (tRNS), önceden tanımlanmış frekans aralığı içinde rastgele uygulanan bir elektrik akımı kullanarak tACS belirli bir form kullanılır. İnvaziv olmayan elektrik beyin stimülasyonu araştırma insanlarda, deneysel ve klinik amaçlar için her ikisi de artış hayvan çalışmalarında temel, mekanik, emniyet için artan bir ihtiyaç vermiştir. Bu makalede Transkraniyal elektrik beyin stimülasyonu (tES) için bir model olduğu gibi kafatası uyarı Rodents motor sistemi hedefleme üzerinden anlatılmaktadır. İletişim kuralı göğüs üzerinde bir implant sayaç elektrot ile birlikte kalıcı epicranial elektrot soket cerrahi set-up için adım adım yönergeler sağlar. Stimülasyon elektrot epicranial yuvaya yerleştirerek, farklı elektriksel stimülasyon türleri, tDCS, şeker ve insanlarda, tRNS karşılaştırılabilir teslim edilebilir. Ayrıca, uyarı Rodents tES için pratik adımlar tanıtılmaktadır. Uygulanan akım yoğunluğu, stimülasyon süresi ve stimülasyon türü deneysel gereksinimlerine bağlı olarak seçmiş olabilirsiniz. Uyarılar, avantajları ve dezavantajları Bu tuzak, yanı sıra Emanet ve tolerabilite yönleri ele alınmıştır.
Introduction
Beyin (tES) elektrik akımları Transkraniyal yönetiminin yıllardır beyin fonksiyonu çalışmaya ve davranışını değiştirmek için kullanılmıştır. Daha yakın, uygulama akımları doğrudan veya daha az sıklıkla alternatif akımlar (şeker ve tRNS), Noninvazif sağlam kafatası ile kullanmak ile iki veya daha fazla elektrotlar (anode(s) ve cathode(s)) klinik ve bilimsel açıdan ilgi kazanmıştır. Özellikle, tDCS sağlıklı konular ve nöropsikiyatrik hastalıkları olan hastalar daha fazla 33,200 oturumlarında kullanılan ve güvenli olarak ve kolay, uzun ömürlü yanı sıra olası tedavi potansiyeli ile düşük maliyetli başucu uygulama ortaya çıkmıştır davranışsal etkileri1. Bu açıkça artan ihtiyaç ve mekanik çalışmaları, Emanet yönleri de dahil olmak üzere bilimsel ilgi vermiştir. Bu makale stimülasyon, tDCS en yaygın olarak kullanılan form üzerinde duruluyor.
Türler arasında tDCS kortikal uyarılabilirlik ve sinaptik plastisite modüle. Uyarılabilirlik değişiklikleri polarite bağımlı değişiklik spontan nöronal ateş oranı kediler ve fareler2,3,4veya motor uyarılmış potansiyel (MEP) genlikleri insan ve fare () içinde değişimler olarak bildirilmiştir her ikisi de anodal ve azalmış sonra cathodal tDCS sonra arttı: insan5,6; fare7). Anodal DCS motor kortikal sinaptik etkinliğinin artırılması veya Hipokampal vitro birkaç saat sonra stimülasyon ya da uzun vadeli kullanılmasının muhtemelen (LTP), ne zaman synapses belirli bir zayıf sinaptik girişi gerektirerek veya ne zaman bir plastisite daha önce verilen ortak uygulanan stimülasyon8,9,10,11,12inducing. Uygun olarak, motor veya bilişsel eğitim başarı stimülasyon faydaları kez sadece ortaya çıkar tDCS8,13,14,15eğitim ile birlikte uygulanan olup olmadığını. Bu önceki bulgular esas olarak nöronlar toplantılarına isnat ederken, nöronal olmayan hücreleri (glia) da tDCS fonksiyonel etkileri katkıda bulunabilir belirtmek gerekir. Örneğin, uyarı fareler16anodal tDCS sırasında astrositik hücre içi kalsiyum düzeyleri artmış. Benzer şekilde, ateş için eşiğin akım yoğunluğu, anodal tDCS microglia17bir doz bağımlı Etkinleştirme indüklenen. Ancak, modülasyon nöron-glia etkileşim tDCS tarafından daha fazla belirli araştırma gerekir.
Alınan birlikte, hayvan araştırma açıkça tDCS düzenleyici etkisi uyarılabilirlik ve plastisite anlayışımızı gelişmiş. Ancak, içeride bir “ters çevirim boşluğu” observable yayınlarda yavaş aksine insan tDCS çalışmaların üstel artış ve in vitro ve içinde vivo tES temel mekanizmaları araştırmalarda küçük artış hayvan modelleri. Ayrıca, kemirgen tES modelleri (transdermal epicranial uyarmaya) çeşitli araştırma laboratuvarları arasında yüksek değişkenliği ile gerçekleştirilen ve bildirilen stimülasyon yordamlar genellikle değildir karşılaştırılabilir engelleyen tamamen şeffaf ve Yinelenebilirlik temel araştırma verilerini hem de sonuçları yorumlanması.
Burada, biz birincil motor korteks çeviri insan tDCS durumuna değişkenlik en aza indirirken sağlar ve olmadan tekrarlanan stimülasyon sağlar hedefleme bir Transkraniyal beyin stimülasyonu tuzak cerrahi uygulama ayrıntılı olarak tarif davranış engelleyen. Uyarı Sıçanlarda sonraki tES için adım adım bir protokol sağlanır. TES uyarı Rodents güvenli uygulama metodolojik ve kavramsal açıdan ele alınmıştır.
Protocol
Representative Results
Discussion
Bu iletişim kuralı tipik malzeme ve bir kalıcı tES tuzak cerrahi gerçekleşmesi için hem de uyarı Rodents sonraki uyarılması için yordam adımları açıklar. TES deneme, bir kemirgen kavramsal açıdan (insan koşulu, belirli bir beyin stimülasyonu beklenen etkileri ile karşılaştırılabilir yanı sıra birkaç metodolojik açıdan (Emanet ve tolerabilite tES, sonuç parametresi) hazırlanması sırasında bölge) dikkate alınması gerek. Metodolojik açıdan uygulamasının serbestçe hareket kemirgenler…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Bu eser Alman Araştırma Vakfı (DFG RE 2740/3-1) tarafından desteklenmiştir. Frank Huethe ve Thomas Günther ısmarlama tES kurulum ve DC-uyarıcı içi üretimi için teşekkür ederiz.
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).
