Sıçanlarda Kronik İmplantasyon için Periferik Sinir Stimülasyon Elektrotlarının Hazırlanması
Summary
Küçük kemirgenlerde kullanılmak üzere kronik implante edilebilir periferik sinir manşet elektrotları oluşturmak için mevcut yaklaşımlar genellikle özel ekipman ve / veya yüksek eğitimli personel gerektirir. Bu protokolde kronik olarak implante edilebilen manşet elektrotlar imal etmek için basit, düşük maliyetli bir yaklaşım göstermekte ve sıçanlarda vagus sinir stimülasyonu (VNS) için etkinliğini gösteriyoruz.
Abstract
Periferik sinir manşet elektrotlar uzun nörolojik ve ilgili alanlarda stimülasyon için kullanılmıştır, örneğin, vagus veya siyatik sinirler. Birkaç yeni çalışmalar motor rehabilitasyon geliştirmek için merkezi sinir sistemi plastisite artırılması kronik VNS etkinliğini göstermiştir, yok olma öğrenme, ve duyusal ayrımcılık. Bu tür çalışmalarda kullanılmak üzere kronik implante edilebilir cihazların inşası farelerin küçük boyutları nedeniyle zordur ve tipik protokoller personel ve zaman alan mikrofabrikasyon yöntemlerinin kapsamlı bir şekilde eğitilmesini gerektirir. Alternatif olarak, ticari olarak kullanılabilir implante edilebilir manşet elektrotlar önemli ölçüde daha yüksek bir maliyetle satın alınabilir. Bu protokolde, sıçanlarda kullanılmak üzere küçük, kronik implante edilebilir periferik sinir manşet elektrotlarının yapımı için basit, düşük maliyetli bir yöntem salıyoruz. Ketamin/ksilazin anestezili sıçanlarda VNS’nin hem implantasyon sırasında hem de cihaz implantasyonundan 10 hafta sonrasına kadar Hering-Breuer refleksinin aktivasyonuile tutarlı solunum hızında düşüşler ürettiğini göstererek manşet elektrotlarımızın kısa ve uzun vadeli güvenilirliğini doğrularız. Ayrıca, vns’yi motor kortikal harita plastisitesini teşvik etmek için yetenekli kol pres performansıyla eşleştirerek manşet elektrotlarının kronik stimülasyon çalışmalarında kullanıma uygunluğunu gösteriyoruz.
Introduction
Son zamanlarda, periferik sinirlerin uyarılması için kronik implante edilebilir manşet elektrotlar için talep büyüdü, çalışmalar giderek çok sayıda inflamatuar hastalıkların tedavisinde bu tekniğin preklinik yararlılığını göstermek gibi1,2,3 ve nörolojik bozukluklar4,5,6,7,8,9,10,11,12,13,14,15. Kronik VNS, örneğin, öğrenme bağlamları çeşitli neokortikal plastisite geliştirmek için gösterilmiştir, motor rehabilitasyon iyileştirilmesi4,5,6,7,8, yok olma öğrenme 10,1111,12,13,14, ve duyusal ayrımcılık15. Ticari olarak mevcut periferik sinir manşet elektrotlar genellikle sipariş yerine getirilmesi ve nispeten yüksek maliyetler için uzun süre ile ilişkilidir, hangi erişilebilirlik sınırlayabilir. Alternatif olarak, kronik implante edilebilir manşet elektrotların “şirket içi” imalatı için protokoller sınırlı kalır ve kemirgen anatomisi küçük boyutları nedeniyle belirli zorluklar sunar. Kronik kemirgen deneyleri için manşet elektrotlar oluşturmak için mevcut protokoller genellikle karmaşık ekipman ve tekniklerin yanı sıra kapsamlı eğitimli personel kullanımını gerektirir. Bu protokolde, daha önce yayınlanmış ve yaygın olarak kullanılan yöntemlere dayalı manşet elektrot imalatı için basitleştirilmiş bir yaklaşım göstermek16,17. Kronik implante edilmiş elektrotlarımızın farelerdeki işlevselliğini, sol servikal vagus sinirinin etrafına manşet implantasyonu sırasında, manşet elektrotlarına uygulanan stimülasyonun SpO2’de nefes alma ve düşmenin başarılı bir şekilde kesilmesine neden olduğunu göstererek doğrulmaktayız. Afferent pulmoner reseptör vagal liflerin stimülasyonu Hering-Breuer refleks meşgul bilinmektedir, hangi beyin sapında çeşitli solunum çekirdeğiin inhibisyonu bastırma ilhamsonuçları 18. Böylece, Hering-Breuer refleksi ile tutarlı nefes kesilmesi, ve SpO2 ortaya çıkan düşüş, anestezili sıçanlarda uygun elektrot implantasyonu ve manşet fonksiyonu için basit bir test sağlar. Kronik implante edilmiş manşet elektrotların uzun süreli işlevselliğini doğrulamak için, implantasyon sırasında refleks yanıtları ölçüldü ve implantasyondan altı hafta sonra aynı hayvanlarda elde edilen yanıtlarla karşılaştırıldı. İkinci bir grup sıçana, bir kol presleme görevinde davranış eğitimi nden sonra VNS manşet elektrotları yerleştirildi. Bu sıçanlarda, VNS doğru görev performansı ile eşleştirilmiş kortikal motor harita yeniden düzenlenmesi üretilen, daha önce yayınlanan çalışmalar ile tutarlı19,20,21,22. Cihaz implantasyonundan 5-10 hafta sonra meydana gelen anestezi altında motor kortikal haritalama sırasında, VNS’nin nefes almanın kesilmesini ve SpO2’de%5’ten fazla düşüşe yol açtığını doğrulayarak VNS ile tedavi edilen hayvanlarda manşet fonksiyonunu daha da doğruladık.
Childs et al.17 ve Rios et al.16’dan yakın zamanda yayınlanan protokoller, basitleştirilmiş manşet elektrot üretim yaklaşımı için iyi onaylanmış bir başlangıç noktası sağlar, çünkü bu popüler yöntem kemirgenlerde kronik VNS çalışmaları yürüten birden fazla laboratuvar tarafından kullanılmıştır1,2,3,4,5,6,7,8,9,10,11. Orijinal yöntem, manşet elektrot imalatının tamamlanması bir saatten fazla sürer ve güvenilir bir şekilde gerçekleştirmek için kapsamlı bir eğitim gerektiren ince mikrotelleri manipüle etmek için birkaç yüksek hassasiyetli adım içerir. Burada açıklanan basitleştirilmiş yaklaşım önemli ölçüde daha az malzeme ve araç gerektirir ve en az eğitimli personel tarafından bir saatten az bir sürede tamamlanabilir.
Protocol
Representative Results
Discussion
Burada kemirgenlerde kullanılmak üzere kronik olarak implante edilebilen uyarıcı manşet elektrotlarının montajı için basit, düşük maliyetli bir yaklaşım tanımlıyoruz ve bu yeni ortaya çıkan tedavinin klinik öncesi araştırmalarını kolaylaştırıyoruz. Bu basitleştirilmiş yöntem hiçbir özel eğitim veya ekipman gerektirir ve diğer yaklaşımlar16,26,,27,28ile karşı…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Bu çalışma Dallas’taki Texas Üniversitesi ve UT Vekiller Kurulu tarafından finanse edilmiştir. Teknik yardım için Solomon Golding, Bilaal Hassan, Marghi Jani ve Ching-Tzu Tseng’e teşekkür ederiz.
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).
