微小電極は、長期的な脳深部刺激のためのラットの視床下核に電極の移植ガイド付き

要約

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.

要約

脳深部刺激（DBS）は、特発性パーキンソン病、ジストニアまたは振戦などのいくつかの神経障害のために広く使用され、効果的な治療です。 DBSは、中枢神経系の特定の深い解剖学的構造への電気刺激の配信に基づいています。しかし、DBSの効果のメカニズムは謎のままです。これは、特にラットに、動物モデルにおいてDBSの影響を調査の関心につながっています。 DBSは、長期的な治療であるため、研究はDBS後数週間を発生する神経回路の分子遺伝的変化に焦点を置くべきです。ラットは所定の位置に刺激に対する動物の頭からの導線を維持するのに問題が発生し、そのケージに動き回るため、ラットの長期DBSは困難です。また、ラットの脳内の刺激のための標的構造は、小型であり、したがって、電極は、容易に必要な位置に配置することができません。このように、長期的なstimulaためのセットアップ約1MΩのインピーダンスと白金/イリジウム電極を用いたラットの化は、この研究のために開発されました。これらの仕様と電極は、適切な刺激だけでなく、DBSのためのターゲット領域を識別するために、脳深部構造の記録だけでなくすることができます。我々のセットアップでは、ワイヤ用のプラグと電極を頭蓋骨に固定4本のネジで固定する歯科用セメントに埋め込まれました。刺激へのプラグからワイヤーをステンレス製のスプリングにより保護されていました。スイベルは、もつれたならワイヤを防止するために回路に接続しました。全体的に、この刺激のセットアップは、ラットのための自由移動性の高い学位を提供し、長期的な強度を保持するために、ヘッドプラグだけでなく、プラグと刺激間の配線の接続を可能にします。

概要

⁴または腹側中間視床^{5 -}脳深部刺激（DBS）は、内部の淡蒼球^1、視床下核^（STN）2のような特定の脳構造に埋め込 ​​まれた電極を介した電気インパルスの配信に基づいて治療法です。過去20年間では、この治療は、パーキンソン病¹のための強力な治療ツールとして確立されている^{- 4、}ジストニア⁶と震え^7、および慢性疼痛^{7を変調するために}も使用され、精神障害（ すなわち 、強迫性障害^8、大うつ病^9）または難治性てんかん^10,11。また、DBSは、将来的には、耐火動脈高血圧¹²や起立性低血圧¹³のための治療選択肢になるかもしれません。

効果の基礎となる生理学的メカニズムDBSのよくわかっていないままです。麻酔をかけたげっ歯類での研究は、臨床的にDBS ¹⁴適用模倣高頻度刺激に神経応答への洞察を提供してきました。しかしながら、これらの研究は、DBS効果の行動の裏付けを欠くだけでなく^{、14を適用した}刺激パラメータに応じてかなりのばらつきが生じます。

より簡潔に意識げっ歯類におけるDBSの行動への影響と根底にある機構を調べるために、刺激のセットアップには、特定の要件を満たすことが必要です。 DBSは、主に、長期療法として使用されている（例えば、パーキンソン病、慢性の痛み）。ユニットはプラグと同様に、外部刺激へのプラグからのワイヤと電極で構成されるようにこのように、げっ歯類における刺激セットアップを設計する必要があります。頭蓋骨に固定されたときや、本機は、軽量で割れないでなければなりません。また、移動の自由はstimula中のラットのために不可欠です長期にわたってる。 DBSの標的構造は小さいです。例えば、ラットにおけるSTNは1.2mmの長さおよび0.8 mmの^3,15の体積を有します。したがって、電極は、核が挿入中に損傷しないように設計されており、正確にニーズを標的としなければなりません。げっ歯類で行わ最もDBS研究は、標的構 ​​造に対して電極のランドマークベースの定位挿入を使用しているように、エラーレートがPaxinosとWatsonの¹⁶に従って座標を用いた場合であっても、比較的高いとすることができます。これは、統計的に意味のある結果に到達するために必要な動物の多数を生じます。

本研究では、電極注入法は、電極を進めながらmicrorecording系を用いて高精度にSTNを標的とする、導入されます。また、刺激システムは、刺激された動物のための移動性の高度を可能にするだけでなく、連続stimulatiを保証しない提示されていますラットの頭の上に（ステンレス製スプリングで保護されている）刺激線の確実な固定を介した上で。

プロトコル

動物実験は、ヴュルツブルク大学と法的状態当局（ウンターフランケン、承認番号：54-2531.01-102 / 13）によって承認された、実験ストロークでの研究のための推奨に従って行っ^17を研究し、現在の動物実験：の報告in vivo実験ガイドライン（http://www.nc3rs.org.uk/arrive-guidelines）。

1.麻酔

1. 手続きの期間中、供給ガス（酸素）およびイソフルランの適切な量を確保するための麻酔システムをチェックしてください。定位固定装置の切歯バーをノーズコーンを接続し、-3.3ミリメートルに切歯バーを置きます。
2. 供給ガス（2 L /分）をオンにします。ボックスにラットを置き、上部を密封します。 3.5％にイソフルラン気化器の電源をオンにします。
3. ラットが横臥のとき麻酔ガスは、切歯バーに固定されたノーズコーンに流れるように、システムを切り替えます。
4. RAを削除ボックス室からトンと耳と目の間の領域を剃ります。 Jodosept PVPを浸した綿棒を使用して、任意の緩い毛を取り除くために剃った領域を綿棒。
5. ポジションノーズコーンにおけるラット（ 図1）とO _2（1リットル/分）でイソフルラン2.5％で麻酔を続けます。インターデジタルの領域をつまんで麻酔のレベルを確認してください。ラットを十分に麻酔されている場合は、守備の反射は（足のすなわち 、撤退を）廃止されています。
6. 手順の間刺激に呼吸し、応答を監視し、必要に応じて気化器を調整します。
7. 麻酔下ながら乾燥を防ぐために、目に獣医軟膏を適用します。監視およびフィードバック制御加熱方式により37±0.5℃の体温を維持します。

2.手術

1. 全体の手術中に無菌手術野を保管してください。 surgeon's手は無菌であり、動作フィールドは、滅菌すると、のみcarefuを移動LLYと無菌状態を壊さないように覚えています。これも一つの楽器を下に設定することができるの無菌領域（ すなわち、滅菌防水ドレープ）を有する含まれています。
2. 剃っエリアの中心にメピバカイン皮下0.2ミリリットルを注入。メピバカインは、最大3時間の作用持続時間を有する局所麻酔薬です。さらに、手術領域を麻酔ます。
3. メスを用いて、正中切開は耳の間に開始し、2センチメートルに向かって延在作ります。骨膜（皮膚の下に光沢のある膜）も切開されていることを確認します。 4クランプ（ 図2）で頭蓋骨を公開します。
4. 綿棒を使用して、冠状および矢状縫合が露出するまで静かに骨膜を取り除きます。その後、綿ウールで血を止めます。
5. プローブホルダに固定された針を用いてブレグマの座標を決定し、黒のサインペンで針の先端をマーク。前方/後方（AP）を使用して、正中線/横（ML）と背腹（DV）の駆動ネジは、直接ブレグマの上に針の先端を置きます。
6. APとMLバーニアスケールの測定値を取る：APの読みから3.6ミリメートルを引き、右STNに電極注入のための読書のMLから2.5ミリメートル、または左STNに電極注入の2.5ミリメートルを追加します。この位置は、頭蓋骨の表面に針の先端を下げた後、フェルトペンの色素によってマークされます。
7. 定位固定装置の大型プローブホルダーに歯科用ドリルを固定します。 すなわち、頭蓋骨上の印を付けた点-計算された領域に歯科用ドリルを移動します。硬膜が表示されるまで、顕微鏡で見ると、（頭蓋骨は約1mmの厚さである）頭蓋骨の貫通孔（直径約1mm）を開けます。マイクロ解剖鉗子または滅菌針を用いて硬膜を撤回。硬膜は、電極の先端を破壊するのに十分なタフです。
8. 各前頭鱗であり、int型に歯科用ドリルで穴を開け電極穴にerparietal鱗の反対。定位固定装置からのプローブホルダを外します。静脈血管が頭蓋骨の下に縫合糸をたどるよう頭蓋骨縫合糸をドリルしないでください。
9. 5つの穴のそれぞれに骨ねじをねじ込みます。深すぎるでネジをねじ込むことは避けてください。ステンレス製ねじ（M1.6）は、ねじの2-3ターンは十分に脳に圧力をかけることなく、ねじを保持します。巻き数は、ねじのピッチに依存します。マイクロマニピュレーターで、電極（ 図3）とプローブホルダーを固定します。
10. 先端がほぼブレグマに触れられるまで、AP、MLとDVドライブネジを使用して、電極とプローブホルダを移動します。ブレグマでのAP、MLとDVバーニアスケールの測定値に注意してください。朗読が行われた場合には、移動中に頭蓋骨をこするから電極を防ぐために、電極を数ミリメートルを上げます。電極に挿入する必要がある位置の座標を決定するために穴にMLの読み取りには、APの読み取りに3.6ミリメートルを追加し、追加（または減算）2.5ミリメートル。
11. APとMLドライブネジを使用して、計算された位置に電極を移動します。この時点で、電極先端が掘削電極穴の真上に位置する必要があります。その後、顕微鏡を通して見ることにより、硬膜（ 図4）のレベルに電極を下げます。このレベルは、DV方向のゼロレベルとして機能します。その後、静かに顕微鏡で見ることによって、脳への電極の先端を挿入します。
12. 記録システムのコネクタに電極ピンを接続します。定位固定装置（ 図5）で、ラットの上にファラデーケージを入れて（またはアルミホイルでそれを置き換えてください）。で働いていたされている部屋のカウンターポイズと定位固定装置を接地してください。
13. 記録システムを起動します。可能な場合、またadvancin時は、1単位の放電/軟膏の音響信号を得るためにスピーカーを使用G電極。
14. ゆっくり電極を進める中の電気活動を記録することにより、脳内に電極を挿入します。硬膜から7.5の間と8.1ミリメートルの深さで、STNの特定の電気的活動は、（ 図6）は、通常、検出可能です。 ^18：STNのニューロンの典型的な活動が不規則な発火パターンと高発火率によって特徴付けられる（40.9±12.9 Hzの周波数を意味します）。
15. 録音中に、（0.8から1.0パーセントに、 例えば ）できるだけ多くの麻酔を減らします。低麻酔動物は明確に電気脳の活性を示します。
16. 電極を下げたときに、頭蓋骨の表面で移動された任意の血液や脳脊髄液を離れて綿棒。
17. 歯科用セメントの少量を混合し、電極の周りに、小さなへら（ 図7）を使用して、5本のネジの4の周りにそれを適用します。第五のネジは、プラグのアース線を固定するために使用されます。
18. 歯科用セメントが固定されたときに記録システムの電極ホルダーとコネクタから電極ピンを外します。
19. 歯科用セメントで固定されませんでしたネジを外します。電極ピンのプラグを入れてください。第五ネジ（ 図8）とプラグのアース線を固定してください。
20. 歯科用セメントを混合し、プラグの周りにそれを適用します。セメントが厚くなるように、キャップを形成するために、プラグの周りにそれを成形。動物に害を与えると（ 図9Aおよび B）硬化中にそれらを除去することができる歯科用セメントのシャープなエッジを避けてください。
21. 傷のエッジを創面切除し、前面にキャップの後ろに縫合糸でそれらを閉じます。傷のエッジを消毒します。
22. スイベルに固定されたワイヤにヘッドプラグを接続します。定位固定装置からラットを削除します。
23. 2〜3日間毎日一回、その後の介入の最後にトラマドール（12.5ミリグラム/キログラム、腹腔内）を適用し、。 THERMAと清潔なケージにラットを置き、リットルのサポートは、このケージ（ 図10）にスイベルを修正し、1時間慎重に検査します。
24. それは胸骨横臥位を維持するのに十分な意識を取り戻したまで無人の動物を放置しないでください。完全に回復するまで、他の動物の会社に手術を受けた動物を返さないでください。

3.刺激

1. インピーダンスメータを用いて、刺激の前の動物の抵抗を決定します。
2. ワイヤと電流出力を有するワイヤの他端のプラグと刺激装置のアース線用の出力とスイベルのプラグを接続します。刺激をプログラムするために、コンピュータと刺激を接続します。
3. プログラム内の刺激のパラメータを選択してください。例えば、パーキンソン病に使用されるパラメータは、パルス長さ：60μ秒;周波数：130 Hzの。ジスキネジアが認識されるまで増加する電流振幅を有するラットを刺激します。目を削減ジスキネジアを誘発強度以下の10〜20％で、または神経学的徴候が消え、動物が快適になるまで電子電界強度。単相矩形パルスをこの研究で使用しました。
4. 実験を完了した後、イソフルランで動物を安楽死さ：5％以上にisofurane流量や濃度を調整します。停止を呼吸した後、1分までイソフルラン暴露を続けます。

結果

記録システムを用いてラットのSTNに電極を移植する - ここに提示されるようなことは - 動物あたり約1時間かかりますDBSための効果的かつ正確な手順です。このモデルは、かなりマイナーな手順です：手術を施したラット10匹のうち、すべての介入を生き延びました。介入後の二十四時間は、各ラットの状態をモニターし、何の動物は、重大度コードに応じて1以上3点を達成していません。連?...

ディスカッション

本研究では、ラットのSTNにモノポーラ慢性電極を移植するための命令のステップバイステップのセットを提供します。低インピーダンスのタングステン電極は、多くの場合、DBS ^18,19のために使用されているが、白金/イリジウム白金（Pt / Ir）から製の単極電極は、約1MΩのインピーダンスを持っていたことを採用しました。 Pt / Irの電極はまた、それらの好ましい特性のパーキンソ...

資料

Name	Company	Catalog Number	Comments
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° 1x3 datamate, Type M80-8420342
Socket	DISTRELEC	143-95-621	single-row,straight 2 mm pole no.1x3 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 M1.6x3
Jodosept PVP	Vetoquinol		435678/E04
Mepivacain 1%	AstraZeneca		PZN03338515
Epinephrine	Sanofi-Aventis		PZN00176118
Tramadolhydrochloride	Rotexmedica		38449.00.00