Préparation d’électrodes de stimulation nerveuse périphérique pour l’implantation chronique chez les rats
Summary
Les approches existantes pour la construction d’électrodes de manchette périphériques implantables chroniques pour une utilisation chez les petits rongeurs nécessitent souvent un équipement spécialisé et/ou un personnel hautement qualifié. Dans ce protocole, nous démontrons une approche simple et peu coûteuse pour fabriquer des électrodes de manchette chroniquement implantables, et démontrons leur efficacité pour la stimulation de nerf vague (VNS) chez les rats.
Abstract
Les électrodes périphériques de manchette de nerf ont longtemps été employées dans les neurosciences et les champs connexes pour la stimulation, par exemple, des nerfs vagues ou sciatiques. Plusieurs études récentes ont démontré l’efficacité de VNS chronique dans l’amélioration de la plasticité du système nerveux central pour améliorer la réadaptation motrice, l’apprentissage de l’extinction, et la discrimination sensorielle. La construction de dispositifs implantables chroniques pour une utilisation dans de telles études est difficile en raison de la petite taille des rats, et les protocoles typiques nécessitent une formation approfondie du personnel et des méthodes de microfabrication chronophages. Alternativement, les électrodes implantables de manchette disponibles dans le commerce peuvent être achetées à un coût sensiblement plus élevé. Dans ce protocole, nous présentons une méthode simple et peu coûteuse pour la construction de petites électrodes de manchette périphériques chroniquement implantables pour une utilisation chez les rats. Nous validons la fiabilité à court et à long terme de nos électrodes de manchette en démontrant que VNS dans la kétamine/xylazine anesthésié rats produit des diminutions du taux de respiration compatible avec l’activation du réflexe Hering-Breuer, à la fois au moment de l’implantation et jusqu’à 10 semaines après l’implantation de l’appareil. Nous démontrons en outre la pertinence des électrodes de manchette pour une utilisation dans les études de stimulation chronique en associant VNS avec la performance habile de presse de levier pour induire la plasticité corticale de carte de moteur.
Introduction
Récemment, la demande d’électrodes de manchettes chroniquement implantables pour la stimulation des nerfs périphériques a augmenté, car les études démontrent de plus en plus l’utilité préclinique de cette technique pour le traitement de nombreuses maladies inflammatoires1,2,3 et troubles neurologiques4,5,6,7,8,9,10,11,12,13,14,15. Chronique VNS, par exemple, a été montré pour améliorer la plasticité néocorticale dans une variété de contextes d’apprentissage, l’amélioration de la réadaptation motrice4,5,6 ,76,,8, l’apprentissage de l’extinction10,11,12,13,14, et la discrimination sensorielle15. Les électrodes périphériques de manchette périphériques disponibles dans le commerce sont souvent associées à des délais prolongés pour l’exécution des commandes et à des coûts relativement élevés, ce qui peut limiter leur accessibilité. Alternativement, les protocoles pour la fabrication « en interne » des électrodes de manchette chroniquement implantables restent limités, et l’anatomie de rongeur présente des défis particuliers en raison de leur petite taille. Les protocoles actuels pour la construction d’électrodes de manchette pour des expériences chroniques de rongeurs exigent souvent l’utilisation d’équipements et de techniques complexes, ainsi que du personnel hautement qualifié. Dans ce protocole, nous démontrons une approche simplifiée de la fabrication d’électrodes de manchette basée sur des méthodes précédemment publiées et largement utilisées16,17. Nous validons la fonctionnalité de nos électrodes chroniquement implantées chez les rats en démontrant qu’au moment de l’implantation de manchette autour du nerf vague cervical gauche, la stimulation appliquée aux électrodes de manchette a réussi à produire un arrêt de la respiration et de la baisse dans SpO2. La stimulation des fibres vagales de récepteur pulmonaire afférent est connue pour engager le réflexe d’Hering-Breuer, dans lequel l’inhibition de plusieurs noyaux respiratoires dans le tronc cérébral a comme conséquence l’inspiration de suppression18. Ainsi, l’arrêt de la respiration compatible avec le réflexe Hering-Breuer, et la baisse résultante dans SpO2, fournissent un test simple pour l’implantation d’électrode appropriée et la fonction de manchette dans les rats anesthésiés. Pour valider la fonctionnalité à long terme des électrodes de manchette chroniquement implantées, les réponses réflexes ont été mesurées au moment de l’implantation et comparées aux réponses obtenues chez les mêmes animaux six semaines après l’implantation. Un deuxième groupe de rats a été implanté avec des électrodes de manchette de VNS après l’entraînement comportemental sur une tâche pressante de levier. Chez ces rats, VNS jumelé à des performances de tâche correctes a produit la réorganisation de la carte motrice corticale, compatible avec les études précédemment publiées19,20,21,22. Au moment de la cartographie corticale motrice sous anesthésie, qui s’est produite 5 à 10 semaines après l’implantation de l’appareil, nous avons encore validé la fonction de manchette chez les animaux traités par VNS en confirmant que VNS a réussi à provoquer un arrêt de la respiration et une baisse de plus de 5% dans Spo2.
Les protocoles récemment publiés de Childs et al.17 et Rios et coll.16 fournissent un point de départ bien validé pour une approche simplifiée de fabrication d’électrodes de manchette, car cette méthode populaire a été utilisée par plusieurs laboratoires menant des études VNS chroniques chez les rongeurs1,2,3,4,5,6,7,8,9,10,11. La méthode originale implique plusieurs étapes de haute précision pour manipuler les microfils fins de telle sorte que la fabrication d’électrodes de manchette prend plus d’une heure à compléter, et une formation approfondie pour effectuer de manière fiable. L’approche simplifiée décrite ici nécessite beaucoup moins de matériaux et d’outils et peut être complétée en moins d’une heure par du personnel peu formé.
Protocol
Representative Results
Discussion
Ici, nous décrivons une approche simple et peu coûteuse pour l’assemblage des électrodes de manchette stimulante chroniquement implantables pour une utilisation chez les rongeurs, facilitant les investigations précliniques de cette thérapie émergente. Cette méthode simplifiée ne nécessite aucune formation ou équipement spécialisé, et utilise un petit nombre d’outils et de fournitures qui sont facilement accessibles à la plupart des laboratoires de recherche, réduisant à la fois les coûts monétaires e…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Ces travaux ont été financés par l’Université du Texas à Dallas et le Conseil des régents de l’UT. Nous remercions Solomon Golding, Bilaal Hassan, Marghi Jani et Ching-Tzu Tseng pour leur assistance technique.
Materials
| Biocompatible polyurethane-based polymer tubing, 0.080" OD x 0.040" ID | Braintree Scientific | MRE080 36 FT | |
| Dissecting microscope | AM Scopes | #SM-6T-FRL | |
| Fine Serrated Scissors, straight, 22mm cutting edge | Fine Science Tools | #14058-09 | for cutting Pt/Ir wire and suture thread |
| Forceps, #5 Dumont forceps, straight, 11 cm, 0.1 x 0.06 mm tip | Fine Science Tools | #11626-11 | |
| Forceps, ceramic tipped forceps, 0.3 mm x 30 mm tips | Electron Microscopy Sciences | #78127-71 | |
| Gold Pins, PCB Press Fit Socket | Mill-Max | #1001-0-15-15-30-27-04-0 | or similar small pins for connecting cuff leads to headcap |
| Isobutane lighter | BIC | #LCP21-AST | for de-insulating Pt/Ir wire |
| Micro strip connector with latch, 4-pin | Omnetics | A24002-004 / PS1-04-SS-LT | |
| Pipette tip, 10 uL | VWR | 89079-464 | |
| Platinum-Iridium (90/10%) Wire, 0.001" (diameter) x 9 strands, PTFE insulated | Sigmund Cohn | 10IR9/49T | |
| Razor Blade, Single Edge, Surgical Carbon Steel No.9 | VWR | #55411-050 | for cutting MicroRenathane tubing |
| Sewing needle, ca. 4.0 cm length x 0.7 mm diameter (size 6-7) | Singer | 00276 | Smaller needle for threading Pt/Ir wire |
| Sewing needle, ca. 4.5 cm length x 0.8 mm diameter (size 2-3) | Singer | 00276 | Larger needle for pinning cuff during assembly and for threading suture |
| Small foam board | Juvo+/Amazon | B07C9637SJ | for fabrication platform; our dimensions are ca. 2.5" x 3.5" x 1" (L x W x H) |
| Solder, multicore lead-free, 0.38mm diameter | Loctite/Multicore | #796037 | |
| Soldering station | Weller | WES51 | or similar soldering iron compatible with long conical tips (this part has been discontinued) |
| Soldering tip, long conical, 0.01" / 0.4 mm | Weller | 1UNF8 | |
| Suture, nonabsorbable braided silk ,size 6/0 | Fine Science tools | #18020-60 | |
| UV (405 nm) spot light | Henkel/Loctite | #2182207 | |
| UV Light Cure Adhesive 25 ml | Henkel/Loctite | AA 3106 | or similar biocompatible UV cure adhesive |
| Wire wrapping wire, 30 AWG | Digikey | K396-ND |
References
- Koopman, F. A., et al. Vagus nerve stimulation inhibits cytokine production and attenuates disease severity in rheumatoid arthritis. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. , (2016).
- Levine, Y. A., et al. Neurostimulation of the cholinergic anti-inflammatory pathway ameliorates disease in rat collagen-induced arthritis. PLoS One. , (2014).
- Zhang, Y., et al. Chronic vagus nerve stimulation improves autonomic control and attenuates systemic inflammation and heart failure progression in a canine high-rate pacing model. Circulation: Heart Failure. , (2009).
- Ganzer, P. D., et al. Closed-loop neuromodulation restores network connectivity and motor control after spinal cord injury. Elife. , (2018).
- Hays, S. A., et al. Vagus nerve stimulation during rehabilitative training enhances recovery of forelimb function after ischemic stroke in aged rats. Neurobiology of Aging. , (2016).
- Khodaparast, N., et al. Vagus nerve stimulation delivered during motor rehabilitation improves recovery in a rat model of stroke. Neurorehabilitation and Neural Repair. , (2014).
- Meyers, E. C., et al. Vagus nerve stimulation enhances stable plasticity and generalization of stroke recovery. Stroke. , (2018).
- Hays, S. A., et al. Vagus nerve stimulation during rehabilitative training improves functional recovery after intracerebral hemorrhage. Stroke. , (2014).
- Farrand, A., et al. Vagus nerve stimulation improves locomotion and neuronal populations in a model of Parkinson’s disease. Brain Stimulationation. , (2017).
- Souza, R. R., et al. Vagus nerve stimulation reverses the extinction impairments in a model of PTSD with prolonged and repeated trauma. Stress. , (2019).
- Noble, L. J., Souza, R. R., McIntyre, C. K. Vagus nerve stimulation as a tool for enhancing extinction in exposure-based therapies. Psychopharmacology. , (2019).
- Childs, J. E., Kim, S., Driskill, C. M., Hsiu, E., Kroener, S. Vagus nerve stimulation during extinction learning reduces conditioned place preference and context-induced reinstatement of cocaine seeking. Brain Stimulationation. , (2019).
- Peña, D. F., Engineer, N. D., McIntyre, C. K. Rapid remission of conditioned fear expression with extinction training paired with vagus nerve stimulation. Biological Psychiatry. , (2013).
- Childs, J. E., DeLeon, J., Nickel, E., Kroener, S. Vagus nerve stimulation reduces cocaine seeking and alters plasticity in the extinction network. Learning & Memory. , (2017).
- Engineer, C. T., et al. Temporal plasticity in auditory cortex improves neural discrimination of speech sounds. Brain Stimulationation. , (2017).
- Rios, M., et al. Protocol for Construction of Rat Nerve Stimulation Cuff Electrodes. Methods Protoc. , (2019).
- Childs, J. E., et al. Vagus nerve stimulation as a tool to induce plasticity in pathways relevant for extinction learning. Journal of Visualized Experiments. , (2015).
- Paintal, A. S. Vagal sensory receptors and their reflex effects. Physiological reviews. , (1973).
- Porter, B. A., et al. Repeatedly Pairing Vagus Nerve Stimulation with a Movement Reorganizes Primary Motor Cortex. Cerebral Cortex. 22, 2365-2374 (2011).
- Morrison, R. A., et al. Vagus nerve stimulation intensity influences motor cortex plasticity. Brain Stimulationation. , (2018).
- Hulsey, D. R., et al. Norepinephrine and serotonin are required for vagus nerve stimulation directed cortical plasticity. Exp. Neurol. , (2019).
- Hulsey, D. R., et al. Reorganization of Motor Cortex by Vagus Nerve Stimulation Requires Cholinergic Innervation. Brain Stimulation. 9, 174-181 (2016).
- Bouverot, P., Crance, J. P., Dejours, P. Factors influencing the intensity of the breuer-hering inspiration-inhibiting reflex. Respiration Physiology. , (1970).
- Fialova, E., Vizek, M., Palecek, F. Inflation reflex in the rat. Physiologia Bohemoslov. , (1975).
- Hays, S. A., et al. The bradykinesia assessment task: An automated method to measure forelimb speed in rodents. Journal of Neuroscience Methods. , (2013).
- Kim, H., et al. Cuff and sieve electrode (CASE): The combination of neural electrodes for bi-directional peripheral nerve interfacing. Journal of Neuroscience Methods. , (2020).
- González-González, M. A., et al. Thin Film Multi-Electrode Softening Cuffs for Selective Neuromodulation. Scientific Reports. , (2018).
- Thakur, R., Nair, A. R., Jin, A., Fridman, G. Y. Fabrication of a Self-Curling Cuff with a Soft, Ionically Conducting Neural Interface. Proceedings of the Annual International Conference of the IEEE Engineering in Medicine and Biology Society, EMBS. , (2019).
- Bucksot, J., et al. Flat electrode contacts for vagus nerve stimulation. PLoS One. 14, (2019).
- El Tahry, R., et al. Repeated assessment of larynx compound muscle action potentials using a self-sizing cuff electrode around the vagus nerve in experimental rats. Journal of Neuroscience Methods. , (2011).
- Bonaz, B., Sinniger, V., Pellissier, S. Anti-inflammatory properties of the vagus nerve: potential therapeutic implications of vagus nerve stimulation. Journal of Physiology. , (2016).
