Plaatsing van extracraniële stimulerende elektroden en meting van cerebrale bloedstroom en intracraniële elektrische velden bij verdoofde muizen

Transcraniële elektrische stimulatie (tES; met sinusgolfstimulatie, tACS) is een veelvoorkomende, externe, niet-invasieve benadering van neuromodulatie van de hersenen ^1,2. Eerder veronderstelden we dat bij bepaalde doses tES (en in het bijzonder tACS) de cerebrale bloedstroom (CBF) in de onderliggende hersengebieden kan verhogen^. Verder kan er een dosis-responsrelatie bestaan tussen de uitgeoefende externe stroom of het intracraniële elektrische veld en de resulterende CBF-reacties. De meeste klinische stimulatieprotocollen hebben zich echter gericht op een maximaal comfortabel stimulatieniveau van de huid (d.w.z. ~ 2 mA) gedurende geplande tijdsperioden (d.w.z. 30-45 min) als behandelingsprotocol ^4,5. Bij knaagdieren is het mogelijk om invasieve, extracraniële hersenelektroden te gebruiken die rechtstreeks op de schedel worden aangebracht om de elektrische velden in de hersenen te onderzoeken die door tES⁶ worden geïnduceerd. Het doel van deze benadering is dan ook om de effecten te bepalen van de intensiteit van tACS bij relevante frequenties op CBF-veranderingen in termen van de dosis-responsrelatie. Deze dosis-responscurve is gebaseerd op een fysiologische biomarker op korte termijn – directe metingen van de CBF – in relatie tot het elektrische veld dat op de hersenen wordt uitgeoefend³. We hebben eerder aangetoond dat er bij grotere amplitudes, meestal buiten het bereik van elektrische velden in de hersenen die klinisch door tACS worden geïnduceerd, een bijna lineaire correlatie is tussen het geïnduceerde elektrische veld en de CBF in de cortex³. Stimulatie in een kleiner veld (d.w.z. een intensiteit van 1-5 mV/mm) kan echter relevanter en haalbaarder zijn voor gebruik bij mensen; daarom hebben we onze technieken aangepast om kleinere CBF-veranderingen te detecteren.

Dit artikel beschrijft een protocol voor het analyseren van de effecten van tES wisselstromen (tACS) met een lagere veldsterkte op CBF (d.w.z. 0,5-2,0 mA stroom, 1-5 mV/mm elektrisch veld), die kunnen worden getolereerd door wakkere knaagdieren⁵. Dit protocol omvat het gebruik van nieuwe laserspikkelbeeldvorming tijdens tACS, evenals dubbele intracraniële glaselektroden, om zowel de verspreiding van actieve tACS in de hersenen (zoals gecontroleerd door de CBF) als de intracraniële elektrische veldintensiteit te bepalen, die zowel als een diagram als een echte experimentele foto wordt weergegeven (Figuur 1). Er zijn veel mogelijke fysiologische effecten van tES in de hersenen, waaronder directe neuronale modulatie, neurale plasticiteit en astrocytenactivering ^7,8. Hoewel CBF is gemeten met tDCS ^9,10, waren deze metingen traag, indirect en onvoldoende om de dosis-responsfunctie in de hersenen te beoordelen. Daarom kunnen we, door gebruik te maken van geschikte kortetermijnbiomarkers (d.w.z. CBF, elektrische velden) en snelle aan/uit-sequenties van tACS, de dosis-responsfunctie nu nauwkeuriger schatten. Verder kunnen we verschillende technieken toepassen om de CBF te meten, waaronder zowel focale laser Doppler-sondes (LD) als laserspikkelbeeldvorming (LSI) met gedefinieerde interessegebieden.

Figuur 1: Transcranieel stimulatiediagram en fotografisch voorbeeld . (A) Diagram van de transcraniële stimulatie-opstelling. Het diagram toont een muizenschedel met coronale en sagittale hechtingen. De transcraniële elektroden worden zijdelings en symmetrisch op de schedel geplaatst en worden met chirurgische lijm en geleidende pasta tussen de elektroden en de schedel gemonteerd. Deze elektroden zijn verbonden met een door mensen compatibel stimulatieapparaat met constante stroom, dat de frequentie, amplitude en duur van de stimulatie kan specificeren. Voor de beoordeling van intracraniële elektrische velden worden bilaterale glaselektroden (~2 MΩ) in de hersenschors geplaatst (d.w.z. binnen 1 mm van het binnenste aspect van de schedel door kleine braamgaten), en deze zijn verzegeld met minerale olie en hebben AgCl-gronden in de nekspier (weergegeven als grotere draden in het midden begraven in het onderhuidse nekweefsel). Deze glazen elektroden zijn aangesloten op een DC-versterker en hun uitgangen worden opgenomen via een digitizer met ten minste vier kanalen. Bilaterale laser Doppler-sondes worden ook op de schedel geplaatst voor opnames. De hele schedel wordt ook in beeld gebracht met een laserspikkelbeeldvormingsapparaat of een gekoelde camera met hoge resolutie (ten minste 1.024 x 1.024 pixels, 12-14 bit pixeldiepte) voor intrinsieke optische signaaldetectie. De isosbestische frequentie van hemoglobine wordt meestal gekozen (d.w.z. 562 nm) voor verlichting voor beeldvorming van de bloedstroom. (B) Een close-upafbeelding van een echt experiment, met de bilaterale laser-Doppler-sondes (links), de (bilaterale) intracraniële glazen opnamemicro-elektroden die door de braamgaten zijn geplaatst, en met de tACS-stimulerende elektroden lateraal. Afkorting: tACS = transcraniële wisselstroomstimulatie. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.

Als een manier om de mechanismen te beoordelen, kunnen we ook interacties met andere fysiologische processen ondervragen die ook de CBF veranderen, zoals K⁺-geïnduceerde spreidingsdepolarisatie¹¹. Verder is het, in plaats van geplande sessies op regelmatige tijdstippen, ook mogelijk om een closed-loop systeem te ontwikkelen op basis van aanvullende biomarkers voor een verscheidenheid aan ziekten, zoals is voorgesteld voor de behandeling van epilepsie¹² (d.w.z. klinische Neuropace-apparaten). Closed-loop hersenstimulatie voor de ziekte van Parkinson is bijvoorbeeld gewoonlijk gebaseerd op de intrinsieke, abnormale lokale veldpotentialen (LFP’s) die inherent zijn aan deze ziekte bij afwezigheid van voldoende dopamine (typisch β-band LFP’s)¹³.