Method Article
This article describes the delivery of intracranial electrical stimulation that is temporally and spatially separate from the drug-use environment for the treatment of IV methamphetamine dependence.
Substance use disorders, particularly to methamphetamine, are devastating, relapsing diseases that disproportionally affect young people. There is a need for novel, effective and practical treatment strategies that are validated in animal models. Neuromodulation, including deep brain stimulation (DBS) therapy, refers to the use of electricity to influence pathological neuronal activity and has shown promise for psychiatric disorders, including drug dependence. DBS in clinical practice involves the continuous delivery of stimulation into brain structures using an implantable pacemaker-like system that is programmed externally by a physician to alleviate symptoms. This treatment will be limited in methamphetamine users due to challenging psychosocial situations. Electrical treatments that can be delivered intermittently, non-invasively and remotely from the drug-use setting will be more realistic. This article describes the delivery of intracranial electrical stimulation that is temporally and spatially separate from the drug-use environment for the treatment of IV methamphetamine dependence. Methamphetamine dependence is rapidly developed in rodents using an operant paradigm of intravenous (IV) self-administration that incorporates a period of extended access to drug and demonstrates both escalation of use and high motivation to obtain drug.
Methamphetamin ist ein Psychostimulans, das einen intensiven und anhaltenden Euphorie aufgrund einer akuten Erhöhung der synaptischen Monoamine, insbesondere Dopamin produziert. Methamphetamin-Abhängigkeit ist eine Epidemie Gesundheitsproblem mit schätzungsweise 25 bis 34.000.000 Nutzer weltweit und ohne nachgewiesene Behandlungs 1,2. Es besteht ein großer Bedarf an neuen therapeutischen Strategien für die Methamphetamin-Abhängigkeit zu entwickeln. Tiefen Hirnstimulation (DBS) ist ein neurochirurgischen Prozedur, die ein Gehirn "Herzschrittmacher", störende neuronalen Entladungsmuster, die bei bestimmten Krankheiten auftreten, einschließlich Parkinson-Krankheit, Dystonie und essentiellem Tremor 3 Normalisierung verwendet. Neueste menschlichen Fallberichte legen nahe, dass DBS kann auch eine wirksame Behandlung für Alkohol-und Drogenabhängigkeit, aber präklinischen Beweise für Psychostimulanzien (z. B. Kokain, Methamphetamin) begrenzt ist 8.4.
Kontinuierliche Tiefenhirnstimulation, wie es ist currently praktiziert wird, erfordert außergewöhnliche Kooperation des Patienten und seine / ihre Familie. Sorgfältige Wundpflege und Hygiene erforderlich sind, um die zugrunde liegende Hardware Schrittmacher, die auch bei Patienten, die nicht verwendeten intravenösen Drogen mit resultierender Bakteriämie anfällig für Infektionen zu schützen. Regelmäßiges Follow-up des DBS-Gerät ist auch notwendig, da die Open-Loop-Design des Systems; erfahrene Ärzte können Sie die Einstellungen des modernen DBS, um Zielsymptome während der Routine Klinik Termine 3 zu verringern. Diese Behandlung Paradigma wird in Kokain und Methamphetamin Nutzer aufgrund ihrer anspruchsvollen psychosozialen Situationen beschränkt werden. Mehrere Studien an Nagetieren haben dieses unpraktisch Paradigma durch die Untersuchung DBS Effekte, wenn die Therapie wird während Kokain Selbstverwaltungsverfahren in der Arzneimittel-Anwendungsumgebung 9-11 geliefert nachgeahmt.
Nicht-invasive diskontinuierliche Techniken, die nicht erfordern Verweilkatheter Hardware, wie transcranialMagnetstimulation (TMS), kann eine bessere Option für die Behandlung von Substanzstörungen 12 sein. TMS ist nicht-invasiv mit Hilfe eines externen Kopfspule, um elektrische Felder in einem bestimmten Gehirnziel während der täglichen, intermittierende Behandlungen erzeugen geliefert. Die jüngste Einführung der H Spule oder "tief" TMS ermöglicht tiefere Hirnstrukturen angeregt werden, zusätzlich zu den kortikalen Websites, erweitert seine mögliche Verwendung 13,14. Beide Therapien werden diskontinuierlich während einer Reihe von Sitzungen in einer anderen Umgebung als der des Primärdroge ausgeliefert und haben Versprechen bei Mensch und Nager-Studien für Drogenabhängigkeit 13,15-17 gezeigt. Das Fenster, um Methamphetamin abhängigen Patienten zu behandeln, wird wahrscheinlich während der Perioden der Nüchternheit, wie vom Gericht angeordnete Sanierungs während Straßen binges sein, nicht, wenn sie gewalttätig oder Fehlverhalten 18 zu erleben. Als solches ist es das Ziel dieses Artikels, um die Abgabe der elektrischen Stimulation, die zeitlich beschreibenund räumlich von dem Arzneimittel-Anwendungsumgebung, die enger annähert, was beim Menschen möglich ist, für die Behandlung von IV Methamphetamin-Abhängigkeit zu trennen.
Alle Verfahren werden durch die LSUHSC Institutional Animal Care und Verwenden Committee genehmigt und wurden in Übereinstimmung mit den NIH durchgeführt "Grundlagen der Labortierhaltung."
1. Nagetier Akklimatisierung und Lebensmittel Restriction
2. Vena jugularis Katheterisierung
3. Intracranial Elektrodenplatzierung
4. Operante Vorrichtung
5. Die intravenöse (IV) Methamphetamine Selbstverwaltung Vorgehensweise
6. Hirnstimulation Vorrichtung
7. Tiefe Hirnstimulation Ordnung
Nach der Platzierung einer IV Jugularkatheter und intrakranielle DBS-Elektroden, Nagetieren erfolgreich auf Selbstadministration IV Methamphetamin nach einer kurzen Erholungsphase geschult werden. 3 zeigt, dass Ratten erwerben und zu eskalieren Methamphetamin Selbstverwaltung nach 2 Tagen extended-Zugang zu Drogen mit einem Durchschnitt von 168 ± 12 Infusionen pro Sitzung für Tag 4.
Die Ratten werden dann in eine Tages 2-Stunden-Zeitplan für operantes Training aus zwei Gründen: 1), um Methamphetamin Toxizität und schwere Verhaltensänderungen mit persistenten, verlängerte Zugriff zu verhindern und 2), um eine relativ stabile Rate von Reaktion, dass etablieren kann durch verschiedene manipuliert werden therapeutische Interventionen. 4 zeigt, dass die durchschnittliche Gesamtzahl von Infusionen pro kurze Zugriffssitzung über die zweite Woche beträgt 75 ± 8 und variiert im allgemeinen von weniger als 10% von Tag zu Tag. Figur 5 zeigt, dass Ratten Entop eine erhöhte Motivation, Medikament nehmen, wie von der Entstehung einer "front-loading" Muster der Einnahme von Tag 6 der Ausbildung gezeigt, im Vergleich zu Tag 1. Sobald diese entwickelt, wird der Effekt weitgehend über nachfolgenden Sitzungen aufrechterhalten (Daten nicht gezeigt) .
Abbildung 6 zeigt, dass bilaterale DBS geliefert in der nicht-medikamentöse Umfeld führte zu einem deutlichen Rückgang der operanten IV Methamphetamin Selbstverwaltung auf drei von fünf Tagen im Vergleich zu den schein-stimuliert Gruppe. Der Nucleus accumbens Schale gezielt wurde angesichts der bekannten Beteiligung an Drogen consummatory Verhalten 8 mit dem folgenden stereotaktischen Koordinaten relativ zum Bregma (AP + 1,6, DV - 8,5, ± ML 2.4). Stimulationsparameter und Dauer wurden lose auf früher veröffentlichten Erfahrungen mit DBS für die Behandlung von psychiatrischen Erkrankungen 8,20,21 basiert, sondern kann je nach der Experimentator die Bedürfnisse angepasst werden. Fehlerbalken sind moderat und nicht alle Tage reach Bedeutung, die die Bandbreite der Reaktionen, die in der Verhaltens Beurteilungen trotz einer klaren Behandlungseffekt gesehen werden kann. Erhöhung der Anzahl der Ratten pro Experiment kann als Ausgleich für diese natürliche Variabilität. 11 Tiere wurden zunächst für dieses Experiment verwendet. Ein Tier wurde für schlechte Ernährung nach der Operation wurde ein Tier ausgeschlossen wegen Anfällen eingeschläfert, und ein Tier wurde wegen DBS-Elektrode Fehlfunktion ausgeschlossen verlässt uns mit insgesamt 8 Tiere (N = 4 Sham; N = 4 aktive DBS). In der Regel beginnend mit etwa 10 bis 12 Ratten für jedes Experiment wird für seinen erfolgreichen Abschluss zu ermöglichen.
Abbildung 1. Visual Programming Language. Der Prüfer verwendet eine visuelle Programmiersprache, die wie die hier gezeigten Beispiel ein Programm, das Hirnstimulation mehrere anima liefern können Designls gleichzeitig an Benutzer eingegebenen Parametern. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Figur zu sehen.
Figur 2. Sichtsteuerung. Vor dem Beginn des Experiments, der Prüfer gibt die gewünschte Frequenz, Pulsbreite und die Amplitude auf der linken Seite eines visuellen Bedienfeld. Hier Stimulationsparameter sind: Stromstärke 200 uA; Impulsbreite 61 ms; Impulsfrequenz 130 Hz. Nach Stimulation ausgelöst wird, die Wellenform für den Wirkstrom Lieferung ist auf der rechten Seite angezeigt. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Figur zu sehen.
Abbildung 3. Erwerb der IV Methamphetamine Selbstverwaltung. Insgesamt operante Reaktion (360 min) Daten wurden mit einem wiederholter ANOVA-Messungen mit der täglichen Sitzung definiert als wiederholte Messung analysiert. Alle Analysen, die p waren <0,05 wurden als signifikant angesehen. Daten sind Mittelwert ± Standardabweichung. Insgesamt Methamphetamin Infusionen während der täglichen 6-h operante Sitzungen über den ersten vier Tagen der operanten Ausbildung. + P <0,05 im Vergleich zu Sessions 1 und 2. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Figur zu sehen.
Figur 4.Wartung von IV Methamphetamine Selbstverwaltung. Insgesamt operante reagiert (120 min) Daten wurden mit einem wiederholter ANOVA-Messungen mit der täglichen Sitzung definiert als wiederholte Messung analysiert. Alle Analysen, die p waren <0,05 wurden als signifikant angesehen. Daten sind Mittelwert ± Standardabweichung. Insgesamt Methamphetamin Infusionen während der täglichen 2-Stunden-operante Sitzungen über der zweiten Woche der operante Ausbildung, zeigen stabile, aber intensiven Drogenkonsum Verhalten. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Figur zu sehen.
Abbildung 5. Entwicklung von Motivation zu nehmen Drogen. Operante ansprechend wurde alle 15 min für die erste Stunde betrug und Daten wurden analysiert unter Verwendung einer wiederholten-measures ANOVA mit jedem 15-min-Quadranten definiert als wiederholte Maßnahme. Alle Analysen, die p waren <0,05 wurden als signifikant angesehen. Daten sind Mittelwert ± Standardabweichung. A "front-loading" Muster nicht am Tag 1 der operante Ausbildung vorhanden, aber entwickelt sich in der zweiten Woche, was auf eine starke Motivation, Medikament nehmen. + P <0,05 im Vergleich zu 30, 45 und 60 min, ++ P <0,05, verglichen mit 45 und 60 min, +++ P <0,05 im Vergleich zu 60 Min. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Figur zu sehen.
Abbildung 6. DBS Auswirkungen auf IV Methamphetamine Selbstverwaltung. Insgesamt operante Reaktion in der ersten Stunde (60 min) Daten wurden unter Verwendung eines gemischten ANOVA mit einem betwe analysierten Subjektvariable der Behandlung (DBS vs Sham) und einer wiederholten Messung der täglichen Sitzung. Alle Analysen, die p waren <0,05 wurden als signifikant angesehen. Daten sind Mittelwert ± Standardabweichung. Bilaterale vorgeoperante tiefe Hirnstimulation die Anzahl der Methamphetamin-Infusionen über den ersten 60 min der operante Reaktion an den Behandlungstagen 3, 4 deutlich reduziert, und 7 + P <0,05 im Vergleich zu Sham-Gruppe und Baseline reagiert. Als Reaktion auf das Ausgangsniveau nach der täglichen Behandlung beendet zurückgegeben. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Figur zu sehen.
Obwohl die genauen Mechanismen der tiefen Hirnstimulation nicht vollständig ist, kann DBS Wirksamkeit für beide Motoren und psychiatrischen Störungen, die aus einer dynamischen Wechselwirkung zwischen dem elektrischen Therapie und die Funktionsweise der verschiedenen subkortikalen und kortikalen Gehirnregionen über die Zeit 6,22-26 führen. Während nicht-bedingten Methoden der Methamphetamin-Lieferung an Nagetieren sind gut beschrieben 27,28 sind diese Methoden für diskrete Untersuchungen von Drogen Pharmakokinetik und neurochemischen Effekte 27-29 am besten geeignet. Operante IV Drogenselbstverwaltung, indem ein Element der Motivation für die Droge, ist ideal für die Studie, wie elektrische Therapien wie DBS mit pathologischen Verhaltensweisen im Laufe der Zeit zu interagieren geeignet. Die Verfahren beschreiben wir untersuchen die Auswirkungen der DBS in einer Umgebung auf bedingte Methamphetamin-Konsum in einer anderen Umgebung.
Es gibt drei wichtige Schritte in unserem IV Methamphetamin Selbst administRation Paradigma: 1) Induktion der schnelle Erfassung und Eskalation der Medikamenteneinnahme während der langen Zugriffssitzungen, 2) Aufrechterhaltung einer stabilen, hohe Rate der Medikamenteneinnahme während der nachfolgenden kurzen Zugriffssitzungen und 3) Entwicklung eines Frontlader-Muster von Drogenkonsum. 12 Ratten pro Experiment, das sowohl kostengünstig und ideal geeignet, um die Auswirkungen der DBS angesichts der potenziell begrenzte Lebensdauer der Kopfkappen bei Nagetieren mit Psycho-Stimulanzien zu testen, ist - dieses Paradigma kann in einem 2 bis 3 Wochen Zeitrahmen mit 10 durchgeführt werden. Diese Vorgehensweise, wie andere Paradigmen, die einen Zeitraum von langen Zugangs 19,30,31 nehmen angemessen simuliert einige Aspekte der Substanzstörungen; es zeigt sowohl die Eskalation der Bedienung und hohe Motivation, Medikament mit einer frühen Session "Drogen-Laden", die wichtigsten Aspekte der menschlichen Abhängigkeit gegenüber den Freizeitgebrauch 19,30 sind zu erhalten. Nagetiere, die lange Zugriffs Exposition gegen IV Methamphetamin haben auch zeigen, kognitive Defizite 32, Deutliche Antworten auf die pharmakologische Behandlung 33, 34 und Pharmakokinetik neurochemische Veränderungen 35, die mehr ähnlich wie beim Menschen mit chronischen Methamphetamin Störung als Nagetiere mit nur kurzen Zugriffs Exposition sind.
Ebenso gibt es drei wichtige Schritte in unserer tiefen Hirnstimulation Verfahren: 1) Die Gewöhnung an die DBS-Umgebung, einschließlich der Kopfhalteband-Anschluss, für eine oder zwei "mock" Sessions, 2) Täglich, intermittierende Abgabe von aktiven Stimulation unter Verwendung eines kommerziellen Systems, und 3) DBS Abschaltung und anschließenden Transport zur Droge-Einstellung. Dieses Paradigma wurde entwickelt, um das Verfahren der nicht-invasiven Therapien wie TMS eher als bei herkömmlichen kontinuierlichen DBS imitieren. Vollständig implantiert werden programmierbaren DBS-Systemen, wie sie für die gemeinsame Bewegungsstörungen 3 verwendet bei Patienten mit psychostimulierenden Abhängigkeit mehrere vorgenannten Gründen geringfügig möglich sein. Unterbrochent elektrische Behandlungsstrategien, die keine Hochrisiko-Operation und Nachsorge, wie TMS, kann besser auf diese Patientengruppe angepasst werden. Die Methoden, die wir beschrieben haben können Ermittler zu entwickeln und zu verfeinern Behandlungsstrategien, die drogenbedingte Verhalten während außerhalb des Medikaments Umgebung in einem begrenzten Zeitrahmen geliefert wird ändern können. Es gibt vermehrt Hinweise, dass transiente intrakranielle elektrische Stimulation, die nach bestimmten neurophysiologischen Defiziten 23 strukturiert wird, oder in Kombination mit systemischen Pharmakotherapie 36 ausüben langanhaltende positive Auswirkungen auf die psychiatrische und Drogenverhalten für mehrere Wochen nach der Behandlung aufgehört hat.
Der Bedarf an Ausgangs ausgezeichnete Operationstechnik und für die laufende Betreuung von mehreren Operationsstellen während der intensiven Drogenkonsum sind die wichtigsten Einschränkungen dieser Methodik. Wenn entweder der IV-Katheter oder der DBS-Elektroden werden nicht operativ und / oder infiziert, muss der Ratteverlassen die Studie. Jugularkatheter und intrakranielle Elektrodenplatzierungen unter strengen sterilen Bedingungen werden am besten von erfahrenen Untersucher vor der Einleitung dieser Verfahren unabhängig voneinander gelernt.
Dieses Verfahren ist offen für verschiedene Modifikationen und zukünftige Untersuchungen, einschließlich der Prüfung: 1.) Alternativen Stimulationsparameter (beispielsweise - Stimulationswellenform, Pulsbreite, Frequenz, Amplitude), 2) anderen potentiellen therapeutischen Gehirnziele (beispielsweise - Nucleus accumbens. Kern, medialen präfrontalen Kortex, Mittelhirn, habenula), 3) verschiedene DBS Liefermuster (zB -. Tages DBS Lieferung, wöchentlich DBS Lieferung, DBS in verschiedenen Intervallen vor der operanten Sitzungen, DBS vor Akquisition) und vielleicht aufregendste, 4) Kombinationen von Kurzzeit-DBS und pharmazeutische Mittel, die optogenetische Stimulation der selektiven Signalwege nachahmen und üben dauerhafte Verhaltensänderungen 36.
The authors have no competing financial interests with regards to this methodology.
Supported by the 2014-2015 Neurosurgery Research and Education Foundation (NREF) award and a 2014 Grant-In-Aid Award from Louisiana State University Shreveport School of Medicine (J.A.W.). We thank S. Harold and C.M. Keller for their invaluable technical assistance and teaching.
Name | Company | Catalog Number | Comments |
Rodent operant chambers | Med Associates, Inc | ENV-008CT | Med Associates Inc. PO Box 319 St. Albans, Vermont 05478 USA Phone: (802) 527-2343 |
Kopf Small Animal Stereotaxic Instrument with Digital Display Console | Kopf Instruments | Model 940 | Kopf Phone: 1-877-352-3275 Fax: 1-818-352-3275 Email: sales@kopfinstruments.net |
Z-Series 3-DSP Bioamp Processor | Tucker Davis Technologies | RZ5D | Tucker-Davis Technologies 11930 Research Circle Alachua, FL 32615 USA Ph: 386-462-9622 www.tdt.com |
Z-Series 32-Channel Stimulator | Tucker Davis Technologies | IZ2-32 | Software is accompanied by a manual that discusses how to program experiments using the OpenEx platform, which can be accessed here: http://www.tdt.com/files/manuals/OpenEx_User_Guide.pdf |
48 Volt LI-ION Battery Pack for IZ2 Stimulator | Tucker Davis Technologies | LZ48-200 | |
32-Channel Splitter Box for PZ5 | Tucker Davis Technologies | S-BOX_PZ5 | |
OpenEx Ext Software Package for Multi-Channel Neural Recording | Tucker Davis Technologies | OpenEx | |
Platinum-iridium stimulating electrodes | Plastics One Inc | MS303/8-B/SPC ELECT PT 2C TW .005" | Plastics One Inc P.O.Box 21465, S.W. Roanoke, VA 24018, PH 540-772-7950 |
2-channel cables between stimulator and commutator | Plastics One Inc | 305-441/2 W/ Spring | |
2-channel cables between commutator and electrode pedestal | Plastics One Inc | 305-305 W/ Spring | |
4-channel commutators | Plastics One Inc | SL2+2C and SL2+SC/SB |
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