Microeletrodos guiada implantação de eletrodos no subtalâmica Núcleo de Ratos por longo prazo Estimulação Profunda do Cérebro
Summary
A method for implanting electrodes into the subthalamic nucleus (STN) of rats is described. Better localization of the STN was achieved by using a microrecording system. Furthermore, a stimulation set-up is presented that is characterized by long-lasting connections between the head of the animal and the stimulator.
Abstract
A estimulação cerebral profunda (DBS) é uma terapia eficaz e amplamente utilizado para várias perturbações neurológicas, tais como doença, distonia ou tremor de Parkinson idiopática. DBS é baseada na entrega de estímulos eléctricos a estruturas anatómicas específicas profundos do sistema nervoso central. No entanto, os mecanismos subjacentes ao efeito de DBS permanecem enigmáticos. Isto levou a um interesse na investigação do impacto de DBS em modelos animais, especialmente em ratos. Como DBS é uma terapia de longo prazo, a investigação deve ser centrada em mudanças genético-moleculares dos circuitos neurais que ocorrem várias semanas após o DBS. A longo prazo em ratos DBS é um desafio porque os ratos mover nas suas gaiolas, o que causa problemas em manter em lugar de fios que conduz a partir da cabeça do animal para o estimulador. Além disso, as estruturas alvo para a estimulação do cérebro do rato são pequenas e, portanto, os eléctrodos não podem ser facilmente colocados na posição desejada. Assim, um set-up para a estimulação de longa duraçãoção de ratos por meio de eletrodos de platina / irídio com uma impedância de cerca de 1 MQ foi desenvolvido para este estudo. Um eletrodo com estas especificações permite não só a estimulação adequada, mas também a gravação de estruturas cerebrais profundas para identificar a área alvo para DBS. No nosso set-up, um eletrodo com um conector para o cabo foi incorporado no cimento dental com quatro parafusos de fixação garantidos para o crânio. O fio da tomada ao estimulador foi protegido por uma mola de aço inoxidável. Um giratória foi ligado ao circuito para impedir que o fio fique emaranhada. No geral, esta estimulação set-up oferece um elevado grau de mobilidade livre para o rato e permite que o bujão de cabeça, bem como a ligação do fio entre o bujão e o estimulador, para reter a força de longa duração.
Introduction
A estimulação cerebral profunda (DBS) é um tratamento baseado na entrega de impulsos elétricos através de eletrodos implantados nas estruturas cerebrais específicas, tais como o globo pálido interno Globus 1, o núcleo subtalâmico (STN) 2-4 ou o tálamo ventral intermediário 5. Nas últimas duas décadas, este tratamento foi estabelecida como uma poderosa ferramenta terapêutica para a doença de Parkinson 1 – 4, distonia 6 e tremor 7, e também é usado para modular a dor crónica 7, distúrbios psiquiátricos (isto é, o transtorno obsessivo-compulsivo 8, depressão maior 9) ou epilepsia refratária 10,11. Além disso, DBS pode, no futuro, tornar-se uma opção de tratamento para a hipertensão arterial refratária 12 ou hipotensão ortostática 13.
Os mecanismos fisiológicos subjacentes aos efeitosde DBS permanecem pouco compreendidos. Estudos em roedores anestesiados forneceram uma visão sobre respostas neurais a estimulação de alta frequência que imitam clinicamente aplicado DBS 14. No entanto, estes estudos não só falta comprovação do efeito comportamental DBS, mas também resultar em variabilidade considerável dependendo dos parâmetros de estimulação aplicado 14.
Para investigar de forma mais concisa os efeitos comportamentais e os mecanismos subjacentes da DBS em roedores conscientes, uma estimulação set-up é necessário que preencha os requisitos específicos. DBS é usado principalmente como uma terapia a longo prazo (por exemplo, doença de Parkinson, a dor crónica). Assim, a estimulação set-up em roedores deve ser concebido de modo a que a unidade é constituída por um eléctrodo com um tampão, bem como um fio a partir da ficha para um estimulador externo; e esta unidade deve ser leve, mas inquebrável quando fixada no crânio. Além disso, a liberdade de circulação é indispensável para ratos durante stimulação durante um período prolongado. As estruturas alvo de DBS são pequenos; por exemplo, a STN em ratos tem um comprimento de 1,2 mm e um volume de 0,8 mm 3,15. Portanto, os eléctrodos devem ser concebidos de tal modo que o núcleo está não lesionado durante a inserção e necessidades direccionamento para ser mais preciso. Como a maioria dos estudos realizados em roedores DBS ter usado marco baseado estereotáxica de inserção do eléctrodo para a estrutura de alvo, a taxa de erro pode ser relativamente alta, mesmo quando se utiliza as coordenadas de acordo com Paxinos e Watson 16. Isso resulta em um maior número de animais necessários para chegar a um resultado estatisticamente significativo.
No presente estudo, de uma técnica de implantação de eléctrodo é introduzido, o que tem como alvo STN com alta precisão utilizando um sistema de microrecording durante o avanço do eléctrodo. Além disso, um sistema de estimulação que é apresentada não só permitir um elevado grau de mobilidade para o animal, mas também garante estimulada stimulati contínuana via fixação segura do fio de estimulação (que é protegida por uma mola de aço inoxidável) no cabeçote do rato.
Protocol
Representative Results
Discussion
Este estudo apresenta um conjunto passo-a-passo de instruções para a implantação de um eletrodo monopolar crônico na STN de ratos. Apesar de eléctrodos de tungsténio com baixa impedância são frequentemente utilizados para DBS 18,19, um eletrodo monopolar de platina / irídio (Pt / Ir) foi empregada que tinha uma impedância de cerca de 1 MQ. Eléctrodos de Pt / Ir são também utilizados em doentes com doença de Parkinson devido às suas propriedades favoráveis: eles demonstram erosão mínim…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
We wish to thank Mr Wabbel for preparing the wires and Mr Tietsch for constructing the plugs and cages according to our plans. This work was supported by the Deutsche Forschungsgemeinschaft (Sonderforschungsbereich 688). Felix Fluri holds a fellowship of the Interdisziplinäre Zentrum für Klinische Forschung (IZKF), University Clinics Würzburg, Germany.
Materials
| Pt/Ir electrode | FHC Inc. | UE | Custom-made: Specification: UEPSEGSECN1M |
| Plugs | GT Labortechnik (Arnstein/Germany) | Custom-made | |
| Pin header | DISTRELEC | 143-95-324 | single-row, 90° 1×3 datamate, Type M80-8420342 |
| Socket | DISTRELEC | 143-95-621 | single-row,straight 2 mm pole no.1×3 datamate, Type M80-8400342 |
| Stainless steel spring | Plastics ONE | SS0102 | Part-#: .120 X .156 Spring ID (mm): 3.0 Spring OD (mm): 4.0 |
| Dental cement/Paladur | Heraeus Kulzer | 64707938 | Liquid, 500 ml |
| Dental cement/Paladur | Heraeus Kulzer | 64707954 | Powder, rose, 500g |
| Head screw | Hummer & Reiss | V2ADIN84 M1.6×3 | |
| Jodosept PVP | Vetoquinol | 435678/E04 | |
| Mepivacain 1% | AstraZeneca | PZN03338515 | |
| Epinephrine | Sanofi-Aventis | PZN00176118 | |
| Tramadolhydrochloride | Rotexmedica | 38449.00.00 |
References
- Kumar, R., Lang, A. E., et al. Deep brain stimulation of the globus pallidus pars interna in advanced Parkinson’s disease. Neurology. 55 (12 Suppl 6), S34-S39 (2000).
- Volkmann, J., Allert, N., Voges, J., Weiss, P. H., Freund, H. -. J., Sturm, V. Safety and efficacy of pallidal or subthalamic nucleus stimulation in advanced PD. Neurology. 56 (4), 548-551 (2001).
- Volkmann, J., Allert, N., Voges, J., Sturm, V., Schnitzler, A., Freund, H. -. J. Long-term results of bilateral pallidal stimulation in Parkinson’s disease. Annals of Neurology. 55 (6), 871-875 (2004).
- Odekerken, V. J., van Laar, T., et al. Subthalamic nucleus versus globus pallidus bilateral deep brain stimulation for advanced Parkinson’s disease (NSTAPS study): a randomised controlled trial. The Lancet Neurology. 12 (1), 37-44 (2013).
- Benabid, A. L., Pollak, P., et al. Long-term suppression of tremor by chronic stimulation of the ventral intermediate thalamic nucleus. The Lancet. 337 (8738), 403-406 (1991).
- Volkmann, J., Wolters, A., et al. Pallidal deep brain stimulation in patients with primary generalised or segmental dystonia: 5-year follow-up of a randomised trial. The Lancet Neurology. 11 (12), 1029-1038 (2012).
- Nguyen, J. -. P., Nizard, J., Keravel, Y., Lefaucheur, J. -. P. Invasive brain stimulation for the treatment of neuropathic pain. Nature Reviews Neurology. 7 (12), 699-709 (2011).
- Kohl, S., Schönherr, D. M., et al. Deep brain stimulation for treatment-refractory obsessive compulsive disorder: a systematic review. BMC psychiatry. 14, 214 (2014).
- Schlaepfer, T. E., Bewernick, B. H., Kayser, S., Mädler, B., Coenen, V. A. Rapid Effects of Deep Brain Stimulation for Treatment-Resistant Major Depression. Biological Psychiatry. 73 (12), 1204-1212 (2013).
- Fisher, R., Salanova, V., et al. Electrical stimulation of the anterior nucleus of thalamus for treatment of refractory epilepsy. Epilepsia. 51 (5), 899-908 (2010).
- DeGiorgio, C., Heck, C., et al. Vagus nerve stimulation for epilepsy: Randomized comparison of three stimulation paradigms. Neurology. 65 (2), 317-319 (2005).
- Callaghan, E. L., McBryde, F. D., et al. Deep Brain Stimulation for the Treatment of Resistant Hypertension. Current Hypertension Reports. 16 (11), 1-10 (2014).
- Green, A. L. M. R. C. S., Wang, S., Owen, S. L. F., Paterson, D. J. D. P., Stein, J. F. D., Aziz, T. Z. D. M. Controlling the Heart Via the Brain: A Potential New Therapy for Orthostatic Hypotension. [Miscellaneous Article]. Neurosurgery June 2006. 58 (6), 1176-1183 (2006).
- Chang, J. -. Y., Shi, L. -. H., Luo, F., Zhang, W. -. M., Woodward, D. J. Studies of the neural mechanisms of deep brain stimulation in rodent models of Parkinson’s disease. Neuroscience, & Biobehavioral Reviews. 32 (3), 352-366 (2008).
- Hardman, C. D., Henderson, J. M., Finkelstein, D. I., Horne, M. K., Paxinos, G., Halliday, G. M. Comparison of the basal ganglia in rats, marmosets, macaques, baboons, and humans: Volume and neuronal number for the output, internal relay, and striatal modulating nuclei. The Journal of Comparative Neurology. 445 (3), 238-255 (2002).
- Paxinos, G., Watson, C. H. . The rat brain in stereotaxic coordinates. , (2007).
- Dirnagl, U. Bench to bedside: the quest for quality in experimental stroke research. Journal of Cerebral Blood Flow, & Metabolism. 26 (12), 1465-1478 (2006).
- Maesawa, S., Kaneoke, Y., et al. Long-term stimulation of the subthalamic nucleus in hemiparkinsonian rats: neuroprotection of dopaminergic neurons. Journal of Neurosurgery. 100 (4), 679-687 (2004).
- Spieles-Engemann, A. L., Behbehani, M. M., et al. Stimulation of the rat subthalamic nucleus is neuroprotective following significant nigral dopamine neuron loss. Neurobiology of disease. 39 (1), 105-115 (2010).
- Agnew, W. F., Yuen, T. G. H., McCreery, D. B., Bullara, L. A. Histopathologic evaluation of prolonged intracortical electrical stimulation. Experimental Neurology. 92 (1), 162-185 (1986).
- Harnack, D., Winter, C., Meissner, W., Reum, T., Kupsch, A., Morgenstern, R. The effects of electrode material, charge density and stimulation duration on the safety of high-frequency stimulation of the subthalamic nucleus in rats. Journal of Neuroscience Methods. 138 (1-2), 207-216 (2004).
- Groothuis, J., Ramsey, N. F., Ramakers, G. M. J., van der Plasse, G. Physiological Challenges for Intracortical Electrodes. Brain Stimulation. 7 (1), 1-6 (2014).
- Li, Q., Ke, Y., et al. Therapeutic Deep Brain Stimulation in Parkinsonian Rats Directly Influences Motor Cortex. Neuron. 76 (5), 1030-1041 (2012).
