두개외 자극 전극의 배치 및 마취된 마우스의 대뇌 혈류 및 두개내 전기장 측정

요약

우리는 뇌 전기장 측정 및 관련 바이오마커-대뇌 혈류의 관점에서 두개외 자극에 대한 용량-반응 곡선을 평가하기 위한 프로토콜을 설명합니다. 이 프로토콜은 뇌에 침습적인 전극 배치를 포함하기 때문에 전신 마취가 필요하며 통제된 호흡보다는 자발적 호흡이 선호됩니다.

초록

다양한 형태의 신경 활성화에 대한 대뇌 혈류(CBF) 반응의 감지는 역동적인 뇌 기능과 뇌에 대한 기질 공급의 변화를 이해하는 데 중요합니다. 이 논문은 경두개 교류 자극(tACS)에 대한 CBF 반응을 측정하기 위한 프로토콜을 설명합니다. 용량-반응 곡선은 tACS(mA)에서 발생하는 CBF 변화와 두개내 전기장(mV/mm) 모두에서 추정됩니다. 우리는 뇌의 양쪽 안에 있는 유리 미세 전극에 의해 측정된 다양한 진폭을 기반으로 두개내 전기장을 추정합니다. 이 논문에서는 CBF를 측정하기 위해 양측 레이저 도플러(LD) 프로브 또는 레이저 스페클 이미징(LSI)을 사용하는 실험 설정에 대해 설명합니다. 결과적으로 이 설정에는 전극 배치 및 안정성을 위한 마취가 필요합니다. CBF 반응과 전류 사이의 상관 관계를 연령의 함수로 제시하여 나이 든 동물(28-32주)에 비해 어린 대조군(12-14주)에서 더 높은 전류(1.5mA 및 2.0mA)에서 훨씬 더 큰 반응을 보여줍니다(p < 0.005 차이). 또한 전기장 강도 <5mV/mm)에서 상당한 CBF 반응을 보여주며, 이는 최종 인간 연구에서 중요한 고려 사항입니다. 이러한 CBF 반응은 또한 깨어 있는 동물에 비해 마취 사용, 호흡 조절(즉, 삽관 대 자발적 호흡), 전신 요인(즉, CO₂) 및 혈관 내 국소 전도에 의해 크게 영향을 받으며, 이는 주위 세포 및 내피 세포에 의해 매개됩니다. 마찬가지로, 보다 상세한 이미징/기록 기술은 전체 뇌의 필드 크기를 작은 영역으로만 제한할 수 있습니다. 설치류를 위한 수제 및 상업용 전극 설계, 양측 유리 DC 기록 전극을 사용한 CBF 및 두개내 전기장의 동시 측정 및 이미징 접근 방식을 포함하여 tACS 자극을 적용하기 위한 두개외 전극의 사용에 대해 설명합니다. 우리는 현재 알츠하이머병 및 뇌졸중의 동물 모델에서 CBF를 증강하기 위한 폐쇄 루프 형식을 구현하기 위해 이러한 기술을 적용하고 있습니다.

서문

경두개 전기 자극(tES, 사인파 자극, tACS)은 뇌 신경 조절에 대한 일반적이고 외부적이며 비침습적인 접근 방식입니다 ^1,2. 이전에 우리는 특정 용량에서 tES(특히 tACS)가 기저 뇌 영역의 대뇌 혈류(CBF)를 증가시킬 수 있다는 가설을 세웠다³. 또한, 인가된 외부 전류 또는 두개내 전기장과 결과적인 CBF 반응 사이에 용량-반응 관계가 존재할 수 있다. 그러나, 대부분의 임상적 자극 프로토콜은 치료 프로토콜로서 예정된 시간(즉, 30-45분) 동안 최대한의 편안한 피부 수준의 자극(즉, ~ 2mA)에 초점을 맞추었다 ^4,5. 설치류의 경우, tES⁶에 의해 유도된 뇌의 전기장을 조사하기 위해 두개골에 직접 적용되는 침습적 두개외 뇌 전극을 사용할 수 있습니다. 따라서 이 접근법의 목표는 용량-반응 관계의 관점에서 CBF 변화에 대한 관련 주파수에서 tACS의 강도의 효과를 결정하는 것입니다. 이 용량-반응 곡선은 뇌에 부과된 전기장과 관련하여 CBF의 단기 생리학적 바이오마커 직접 측....

프로토콜

모든 동물 시술은 듀크 대학교의 기관 동물 관리 및 사용 위원회 또는 동물과 관련된 연구를 규제하는 동등한 지역 당국의 승인을 받았습니다. 이 프로토콜에 사용된 모든 재료, 도구 및 장비에 대한 자세한 내용은 재료 표를 참조하십시오.

1. 기기 준비

1. 두피 세척액(알코올 패드), 테이프, 집게, 가위, 작은(0.5mm) 버 구멍을 삽입하기 위한 드릴과 같은 필요한 모든 품목과 수술 기구가 제자리에 있는지 확인합니다(그림 2).
2. 두개골 적용을 위해 두개외 표면 전극을 준비하고 이전에 사용한 적이 있는 경우 수술용 접착제를 청소했는지 확인하십시오.
3. 이러한 tACS 전극을 두개골에 적용하기 직전에 임피던스를 확인하십시오. 이를 위해 tACS 자극기에 내장된 측정 기능을 사용하여 두 전극을 식염수조에 넣습니다.
   알림: 선호되는 임피던스는 두개골에 충분한 전류가 전달될 수 있도록 전극 쌍당 <5KΩ입니다. 자극기 장치는 정전류 펄스를 전달하기 전에 임피던스를 확인하고 값을 직접 제공합니다.

토론

이 프로토콜은 tES¹⁴에 대한 뇌 반응을 추정하기 위한 바이오마커로서 CBF 반응의 생체 내 마취 측정에 중점을 둡니다. tES 반응의 장기 바이오마커에는 아밀로이드 플라크 형성의 예방 또는 변화(즉, 여러 AD 모델에서 40Hz에서 감마 자극)와 같은 조직학적 치료 효과가 포함되지만16,17,18,19 단기 바이오마커는

자료

Name	Company	Catalog Number	Comments
Alcohol pads	HenryShein	112-6131
Baby mineral oil	Johnson & Johnson
BD 1 mL syringe	Becton Dikinson	REF 305699
C3 Flat Surface Electrodes	Neuronexus
C57BI mice			from NIH colonies
Copper skull electrods	In house preparation
Digidata 1440, Clampex	Axon Instruments
Dumont #5 forceps	FST	#5
Dumont #7 forceps curved	Dumont	RS-5047
Eye ointment	Major	LubiFresh P.M. NDC-0904-6488-38
Flaming/Brown micropipette puller	Sutter instrument Co.	Model P-87
Forceps 11.5 cm slight curve  serrated	Roboz	RS-8254
Intramedic needle 23 G	Becton Dikinson	REF 427565
KCl 1 M	In house preparation
Laser Doppler Probes	Moor Instruments	0.46 mm laser doppler probes
Laser Speckle Imaging Device	RWD	RFLSI-ZW
Micro curette 13 cm	FST	10080-05
Micro Dissecting Scissors, 11.5 cm	Roboz	RS-5914
Mouse anesthesia fixation	Stoelting
Neuroconn-DS	Neurocare	DC-Stimulator Plus
PhysioSuite Monitoring	Kent Scientific
Q-tips	Fisherbrand	22363167
Saline 0.9% NaCl solution	Baxter	281322
Sensicam QE	PCO Instruments
Software	Axon Instruments Clampex
Surgical glue	Covetrus	31477
Surgical tape	3M Transpore	T9784