Name: an invasive method for the activation of the mouse dentate gyrus by high-frequency stimulation
Uploaded: 2018-06-02T14:45:00
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Soutenu par la Fondation nationale des sciences naturelles de Chine subventions 31522029, 31770929 et 31371149 (à Haitao Wu), programme 973 (2014CB542203) du programme de développement clés Etat pour la recherche fondamentale de la Chine (à Haitao Wu) et Grant Z161100000216154 de la Beijing Municipal Science et Technology Commission (Haitao Wu). Les auteurs tiennent à remercier tous les membres du laboratoire Haitao Wu pour leur encouragement et discussions. Les auteurs sont extrêmement reconnaissants à Zhenwei Liu pour son aide avec le débogage de l’appareil.

Les procédures expérimentales animales conformé aux directives institutionnelles de la Beijing Institute of Basic Medical Sciences (Beijing, Chine) et des règlements gouvernementaux chinois pour le soin et l’utilisation des animaux de laboratoire. Les souris (adulte masculin, 26 ~ 30 g) ont été logés et conservé à une température constante de 23 ° C, avec de l’eau et l’alimentation ad libitum, sous un cycle foncé de lumière/12 h 12 h (lampes allumées à 07:00). Toutes les procédures expérim...

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La technique HF-DBS a été largement utilisée comme un outil puissant pour le traitement de nombreux troubles neurologiques depuis les années 1990. Jusqu’ici, les travaux de point de repère du HF-DBS sont pour le traitement de la maladie de Parkinson et tremblement essentiel, qui a attiré beaucoup d’attention et intérêt aussi bien dans la clinique et de la communauté scientifique. Il existe différents types d’études en cours de HF-DBS par de nombreux groupes pour application thérapeutique du HF-DBS dans ...

HF-DBS est une technologie de neurochirurgie pour la stimulation électrique dans le cerveau, qui s’est développée depuis les années 18701. Dans les années 1980, HFS servit tout d’abord une intervention thérapeutique potentielle pour la maladie de Parkinson et troubles de l’autre mouvement2. Dans les dernières décennies, HF-DBS a été plus largement utilisé dans le traitement des troubles du cerveau qui sont actuellement impossibles à traiter par une stratégie thérapeutique traditionnelle. En particulier, en raison de l’amélioration de la précision de l’électrode HFS, les résultats très efficaces et des effets secondaires minimes, le nombre de troubles du cerveau traitée par HF-DBS a considérablement augmenté au cours des dernières décennies3,4, 5. Par exemple, HF-DBS a été approuvé par la US Food and Drug Administration (FDA) pour le traitement de la maladie de Parkinson (MP), démence de type Alzheimer, tremblement essentiel et d’autres types de mouvement troubles2,6, 7. dans les patients Parkinsoniens, le médicament dopaminergique est réduit jusqu'à 50 % au cours de la HF-DBS8. En plus de la réussite du traitement des troubles du mouvement, HF-DBS a également démontré ses effets puissants dans le traitement des maladies psychiatriques dans la clinique et pour l’augmentation des cognitive comme bien2,9, 10 , 11. il convient de noter que la recherche de HFS pour le traitement d’autres troubles psychiatriques sont à divers stades, offrant très prometteur pour les patients de12.
Bien que plusieurs études ont démontré qu’une focale HFS a des effets les et distants dans tout le cerveau13, les mécanismes neurologiques et moléculaires des effets demeurent insaisissables2,14. Dans la clinique, thérapeutique HF-DBS est généralement appliquée de manière à long terme pour le traitement de la maladie de Parkinson et de douleurs chroniques, etc. que beaucoup d’opinions est déclenchés pour expliquer l’amélioration produite par un traitement HF-DBS, parmi laquelle une possibilité que le courant HFS module l’activité du réseau neuronal, probablement par une dépolarisation répétitive des axones dans le voisinage de l’électrode implantée de HFS. Ou, HF-DBS peuvent modifier le taux de décharge des neurones de sortie et les cibles projetées. Aussi, HF-DBS peut conduire à des changements de synaptiques à long terme, y compris la potentialisation à long terme (LTP) et dépression à long terme (DLT), qui peuvent contribuer à une amélioration symptomatique. Jusqu'à présent, on ignore encore si HFS inﬂuences principaux événements moléculaires qui régulent les cellulaires traite tel comme in vivode la neurogenèse adulte. Plusieurs lignes des études ont démontré que HFS chez les rongeurs pouvaient imiter des réponses neurones similaires de clinique appliquée DBS15,16. Pour comprendre les mécanismes cellulaires sous-jacents du HF-DBS, dans cette étude, nous tout d’abord mis en place un en vivo méthodologie HFS chez la souris dans un aigu (un jour) ou de manière chronique (cinq jours). Deuxièmement, nous avons mis en place une méthodologie d’analyse par activation pour déterminer la modification de l’activité neuronale et la neurogenèse après une livraison HF-DBS.
Étant donné que la production neuronale de cellules souches neuronales est abondante durant le développement embryonnaire mais continue tout au long de la vie d’adulte, la zone subgranulaire hippocampe est l’un des principaux domaines où la neurogenèse se produit. Le processus de neurogenèse est influencé par de nombreux facteurs physiologiques et pathologiques. Dans certains cas d’épilepsie, la neurogenèse hippocampique est considérablement diminuée de17,18. En outre, une thérapie par électrochocs unique pouvant accroître considérablement la production neuronale dans le gyrus denté19. Ces observations suggèrent que l’activité électrophysiologique joue un rôle essentiel dans la régulation de la neurogenèse adulte et la plasticité synaptique dans les neurones de l’hippocampe. Par conséquent, pour démontrer davantage les effets du HF-DBS sur l’activité neuronale et la neurogenèse, nous avons tout d’abord effectuer un dosage immuno-coloration de la gène (IEG) début immédiat c-fos qui est un marqueur connu de l’activité neuronale à court terme résultant de 20de l’expérience. Signalisation Notch1 est également détectée pour contrôler l’activation de signalisation après les HFS livraison21,22. En outre, nous détectons également la production neuronale par un BrdU étiquetage analyse après l’induction HF-DBS de diverses manières, mais BrdU coloration peut également être un marqueur pour gliogenesis.
Dans la présente étude, deux méthodes HFS sont adaptés pour cibler l’activation de l’hippocampe DG directement et indirectement. L’électrode est implantée directement dans le DG ou implanté dans la voie de perforante médial (PP) qui envoie des projections pour activer les neurones de la DG. Pour l’induction HF-DBS, un stimulateur programmable est présenté pour une stimulation continue par l’électrode fixe sur la tête de la souris. Pour déterminer les effets de HFS sur activation neuronale et la neurogenèse, nous détectons l’expression de c-fos et Notch1 par immunofluorescence et le nombre de neurones positifs BrdU-incorporé dans la région de l’hippocampe DG, respectivement, après le traitement de HFS. En particulier, les effets de l’HF-DBS sur la neurogenèse dans le DG sont comparés entre aiguë et un mode de stimulation chronique, ou entre un direct et un mode de stimulation indirecte, respectivement.

<table border="0" cellpadding="0" cellspacing="0" style="width:975px;" width="975">
	<colgroup>
		<col />
		<col />
		<col />
		<col />
	</colgroup>
	<tbody>
		<tr height="26">
			<td height="26" style="height:26px;width:255px;">Brain stereotaxic instrument</td>
			<td style="width:215px;">Stoelting</td>
			<td style="width:199px;">51730D</td>
			<td style="width:307px;">Stereotactic intracranial implantation for mouse</td>
		</tr>
		<tr height="24">
			<td height="24" style="height:24px;width:255px;">Stimulator</td>
			<td style="width:215px;">A-M systems</td>
			<td style="width:199px;">Model 3800</td>
			<td>MultiStim 8-Channel programmable stimulator</td>
		</tr>
		<tr height="24">
			<td height="24" style="height:24px;width:255px;">Dental driller</td>
			<td style="width:215px;">Saeshin Precision Co., Ltd</td>
			<td style="width:199px;">STRONG 90</td>
			<td>For drilling and crainiotomy&#160;</td>
		</tr>
		<tr height="24">
			<td height="24" style="height:24px;width:255px;">Burr</td>
			<td style="width:215px;">Meisinger</td>
			<td style="width:199px;">HM1 005#</td>
			<td>For drilling and crainiotomy&#160;</td>
		</tr>
		<tr height="24">
			<td height="24" style="height:24px;width:255px;">Digidata 1550 Digitizer</td>
			<td style="width:215px;">Molecular Devices</td>
			<td style="width:199px;">AXON 1550</td>
			<td>High-resolution data acquisition</td>
		</tr>
		<tr height="22">
			<td height="22" style="height:22px;width:255px;">Cryotome</td>
			<td style="width:215px;">Thermo Fisher Scientific</td>
			<td style="width:199px;">Thermo Cryotome FSE</td>
			<td>Cutting frozen sections of specimens</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:255px;">Confocal microscope</td>
			<td style="width:215px;">Olympus</td>
			<td style="width:199px;">FV-1200</td>
			<td>Japan, with 20x Objective (NA 0.45)</td>
		</tr>
		<tr height="25">
			<td height="25" style="height:25px;width:255px;">Mouse surgery tools</td>
			<td style="width:215px;">F.S.T.</td>
			<td style="width:199px;">14084-08,11254-20,16109-14</td>
			<td style="width:307px;">Scissors, forceps, bone cutter, holders etc.</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:255px;">Pentobarbital sodium</td>
			<td style="width:215px;">R&#38;D systems</td>
			<td style="width:199px;">4579</td>
			<td>20-50mg/kg for i.p. injection</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:255px;">Penicillin G&#160;</td>
			<td style="width:215px;">Sigma-Aldrich</td>
			<td style="width:199px;">P3032</td>
			<td>75,000 U for i.m. injection</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:255px;">Carprofen</td>
			<td style="width:215px;">Sigma-Aldrich</td>
			<td style="width:199px;">SML1713</td>
			<td>5-10mg/kg, for s.c. injection</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:255px;">4% Paraformaldehyde (PFA)</td>
			<td style="width:215px;">Beijing Solarbio Sci-Tech Co.&#160;</td>
			<td style="width:199px;">P1110</td>
			<td>stocking solution for tissue fixation</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:255px;">Phosphate buffer (PBS)</td>
			<td style="width:215px;">Invitrogen</td>
			<td style="width:199px;">10010023</td>
			<td>pH7.4, 500ml in stocking</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:255px;">Tissue-Tek O.C.T. compound</td>
			<td style="width:215px;">Sakura</td>
			<td style="width:199px;">4583</td>
			<td>Formulation of water-soluble glycols and resins</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:255px;">anti-BrdU antibody</td>
			<td style="width:215px;">Abcam</td>
			<td style="width:199px;">ab6326</td>
			<td>Dilutions:1/800</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:255px;">anti-c-fos antibody</td>
			<td style="width:215px;">Abcam</td>
			<td style="width:199px;">ab209794</td>
			<td>Dilutions:1/500</td>
		</tr>
		<tr height="23">
			<td height="23" style="height:23px;width:255px;">Goat Anti-Rabbit IgG (Alexa Fluor 568)</td>
			<td style="width:215px;">Thermo Fisher Scientific</td>
			<td style="width:199px;">A11036</td>
			<td>Dilutions:1/500</td>
		</tr>
		<tr height="22">
			<td height="22" style="height:22px;width:255px;">Donkey Anti-Rat IgG (Alexa Fluor 488)</td>
			<td style="width:215px;">Jackson ImmunoResearch</td>
			<td style="width:199px;">712-546-150</td>
			<td>Dilutions:1/500</td>
		</tr>
		<tr height="41">
			<td height="41" style="height:41px;width:255px;">Antifade mounting medium with DAPI</td>
			<td style="width:215px;">Vector Laboratories</td>
			<td style="width:199px;">H-1200</td>
			<td>Counterstaining with DAPI</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:255px;">anti-Notch1 antibody (C-20)</td>
			<td style="width:215px;">Santa Cruz Biotech</td>
			<td style="width:199px;">sc-6014</td>
			<td>Dilutions:1/50</td>
		</tr>
		<tr height="41">
			<td height="41" style="height:41px;width:255px;">Donkey Anti-Goat IgG (Alexa Fluor 488)</td>
			<td style="width:215px;">Abcam</td>
			<td style="width:199px;">ab150073</td>
			<td>Dilutions:1/1000</td>
		</tr>
	</tbody>
</table>

an invasive method for the activation of the mouse dentate gyrus by high-frequency stimulation

Stimulation électrique de haute fréquence (HFS), utilisant des électrodes implantées, ciblant les différentes régions du cerveau, s’est avérée comme un traitement efficace pour divers troubles neurologiques et psychiatriques. HFS dans la région profonde du cerveau, également appelée stimulation profonde du cerveau (DBS), devient de plus en plus important dans les essais cliniques. Les progrès récents dans le domaine de la chirurgie de haute fréquence DBS (HF-DBS) a commencé à se répandre la possibilité d’utiliser cette technique invasive à d’autres situations, telles que le traitement pour la maladie de dépression majeure (MDD), les troubles obsessionnels compulsifs (TOC) et donc sur.
Malgré ces indications en expansion, les mécanismes sous-jacents des effets bénéfiques du HF-DBS restent énigmatiques. Pour répondre à cette question, une approche consiste à utiliser implanté des électrodes qui activent peu distribué des sous-populations de neurones par HFS. Il a été signalé que HFS dans le noyau antérieur du thalamus pourrait être utilisé pour le traitement de l’épilepsie réfractaire à la clinique. Les mécanismes sous-jacents pourraient être liées à la neurogenèse accrue et modifié l’activité neuronale. Par conséquent, nous sommes intéressés à explorer les altérations physiologiques de la détection de l’activité neuronale, mais aussi la neurogenèse dans le gyrus denté de souris (DG) avant et après traitement de HFS.
Dans ce manuscrit, les auteurs décrivent les méthodologies pour HFS cibler l’activation de la DG chez la souris, directement ou indirectement et de façon aiguë ou chronique. En outre, les auteurs décrivent un protocole détaillé pour la préparation des coupes de cerveau de c-fos et Notch1 immunofluorescence souillant pour surveiller l’activité neuronale et activation de la signalisation et de bromodéoxyuridine (BrdU) étiquetage afin de déterminer la neurogenèse après l’induction HF-DBS. L’activation de l’activité neuronale et la neurogenèse après le traitement HF-DBS fournit une preuve directe neurobiologique et bénéfices thérapeutiques potentiels. En particulier, cette méthodologie peut être modifiée et appliquée pour cibler d’autres régions du cerveau concernées telles que les noyaux gris centraux et subthalamique régions pour les troubles spécifiques du cerveau à la clinique.

Suite à la stimulation de HF-DBS à la sous-région DG hippocampe directement ou la sous-région PP pour activer le DG indirectement via inséré les électrodes à l’aide des réglages stéréotaxiques, les rongeurs ont été anesthésiés au pentobarbital et échantillonné 3 h après la dernière stimulation HF-DBS pour le c-fos et Notch1 immunostaining. Pour la coloration BrdU, 36 h après la dernière injection de BrdU après 1 jour ou 5 jours de stimulation HF-D...

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An Invasive Method for the Activation of the Mouse Dentate Gyrus by High-frequency Stimulation

Ce protocole indique comment mettre en place une méthode fiable de HFS chez la souris. Neurones dans l’hippocampe gyrus denté sont stimulés électriquement par HFS directement et indirectement in vivo. L’activité neuronale et la signalisation moléculaire sont examinés par c-fos et immunofluorescence Notch1, respectivement ; neurogenèse est quantifiée par la bromodéoxyuridine dosage d’étiquetage.

Une méthode Invasive pour l’Activation du Gyrus denté souris par Stimulation haute fréquence

Electrical high-frequency stimulation (HFS), using implanted electrodes targeting various brain regions, has been proven as an effective treatment for ...

The overall goal of this experiment is to observe the effect of high-frequency stimulation on neuronal activity in neurogenesis. This method can help answer key questions in an aligned cellular and molecular mechanisms of high-frequency deep brain stimulation, such as the induction of neuron activity and the neurogenesis in hippocampus. The advantage of this technique is that it demonstrates the powerful effect of high-frequency TBS on neuron activity and the neurogenesis in the adult brain.Though this method can provide insight into the effects of high-frequency TBS on the mouse dentate gyrus, it can also be applied to other systems such as the basal ganglia and the subthalamic regions for the brain disorders in the clinic. To begin this procedure, place an anesthetized mouse onto the stereotactic frame. Align the ear bands with its head, and gently tighten them to support the centered head.Grasp the skin anterior to its ears and remove about one square centimeter of it over the skull. Then remove the muscle and other attachment overlying the skull with a cotton swab to expose the skull surface. Next, apply hydrogen peroxide solution to dry the skull in order to identify the sagittal and lambda suture lines.Then, identify the bregma and lambda. The bregma point will be used as the original point to set the nucleus position. After that, level the skull on the horizontal plane using these two points.Make sure that the heights of these two points are almost the same in the dorsal ventral plane. In addition, make sure that the skull is leveled in the medial lateral plane. Next, mount a homemade two channel copper micro wire electrode into the rotating electrode holder on the stereotactic surgical frame.Place the electrode directly above the bregma and set it as original site. Then, move the electrode gently to the correct position above the skull, without touching it. Use the digital display on the stereotactic surgical frame to indicate the anterior posterior, medial lateral, and dorsoventral positions.When the desired site is identified for the electrode insertion mark the position with a black marker. Afterward, use the dorsoventral stereotactic adjustments to raise the electrode holder. Then, sterilize the drill bit with 70%ethanol.Use a handheld micromanipulator assisted drill, make a burr hole precisely at the marked position. Use a sterile cotton swab to stop any bleeding during the operation. Keep drilling until dura is exposed.Use a bent needle to remove any bone scraps that are generated during the drilling, and make a pinhole on the dura without damaging the underlying soft brain tissue. To confirm that the burr hole is made properly at the desired position, lower the electrode to make sure that it inserts through the burr hole smoothly without touching any obstacle. If no resistance is detected, slowly insert the electrode to the target depth from the surface of the skull.Then, apply dental cement using a small spatula to hold the electrode in place. As the cement thickens, mold it around the inserted electrode and other bone screws to form a nice, smooth cap. Next, disengage the electrode from the electrode holder.Remove the mouse from the stereotactic frame, and return it to a warm cage. Let the mouse move freely and allow it to recover for two days in the cage. To deliver stimulation, connect the implanted electrode to a programmable stimulator via leads.Set up the software interface. Then, set the HFS parameters as six series of six trains of six pulses at 400 Hertz, and the stimulation intensity of 200 milliamps. Deliver HFS for the desired period of time as set up.For the control group, implant electrodes in the mice without delivering any stimulation. For CFAS staining, stimulate the experimental mice two times for one day. For BrdU labeling, apply appropriate stimulations to both the acute stimulation group and the chronic stimulation group.During the course of the stimulation, make sure the mouse is awake. Remember to insure the leads are not twisted. When the stimulation is done, carefully disconnect the electrode pin from the electrode holder in the connector of the recording system.For the CFAS and notch one staining, about three hours after the last HFDBS, anesthetize the mice by injecting pentobarbital to achieve a surgical plane of anesthesia. For BrdU labeling, about 12 hours after the last HFDBS stimulation, give six injects of BrdU to the control and the stimulated mice at two hour intervals. 36 hours after the last injection, deeply anesthetize the mice with pentobarbital and transcardially profuse it with 50 milliliters of cold PBS followed by 50 milliliters of cold 4%paraformaldehyde.Remove its head and make an incision on the skin to expose the skill. Using forceps, chip off the skull slightly and carefully remove the whole brain. Then, post fix the brain is 4%paraformaldehyde for an additional two days, and transfer it to 30%sucrose solution at four degrees Celsius overnight.Using a cryostat, slice the brain into 20 micron coronal sections. Transfer and mount the sections to the glass slide with a brush, and store them a minus 20 degrees Celsius. Afterward, transfer the slides into normal PBS containing no fixative.Wash the sections with PBS three to four times for five minutes each to remove any excess fixative. For the BrdU labeled group, incubate the sections in two molar HCL for 30 minutes at 37 degree Celsius, and rinse them in a 0.1 molar borate buffer. After 10 minutes, wash the sections two times in PBS for five minutes each time.Subsequently, incubate the sections in blocking solution for one hour at room temperature. Then, incubate the sections with anti-CFAS polyclonal antibody, anti-notch one antibody, or anti-BrdU antibody in a blocking solution at four degrees Celsius overnight. Was the sections three times in PBS for 10 minutes each time, then incubate them with Alexa Fluor 568 conjugated anti-rabid, Alexa Fluor 488 conjugated anti-goat, or Alexa Fluor 488 conjugated anti-rat secondary antibody for one hour at room temperature.Was the sections three times in PBS for 10 minutes each time. Subsequently, cover the immuno labeled brain sections using an antifade reagent mounting medium containing DAPI. Let the sections air dry, and store them protected from light at four degrees Celsius.Shown here is an experimental paradigm for the HFS treatment in the generation of BrdU labeled proliferating neurons in the DG.The animals were divided into an acute and a chronic group to receive different patterns of stimulations. Afterward, the animals in both groups were injected with BrdU on day six. On day eight, the animals were anesthetized and profused for the preparation of cryostat sections.Here are the images of the BrdU immunofluorescent staining post-HFDBS in the DG.A quantitative analysis of the neuronal production indicated that the acute stimulation in the DG could not enhance neurogenesis. While the chronic stimulation in the DG significantly up regulated the neurogenesis. Compared to the control group, the number of BrdU labeling cells increased significantly in the chronic group, both in the ipsilateral and contralateral hemisphere.These are the images of the BrdU immunofluorescent staining post-HFDBS in the PP sub-region. A quantitative analysis of the neuronal production indicated that either the acute or chronic stimulation in the PP could not enhance the neurogenesis significantly. The number of BrdU labeling cells was relatively stable with or without the HFS treatment.While attempting this procedure, it's important to remember to locate the electrode properly, and to deliver the stimulation successfully. After it's development, this technique paved the way for researchers in the field neuroscience high-frequency stimulation enrolled in the models. After watching this video, you should have a good understanding of how to deliver high-frequency stimulation to deep brain nucleus.

Research

JoVE Journal

Neuroscience

Combining Transcranial Magnetic Stimulation and fMRI to Examine the Default Mode Network

Alliant la stimulation magnétique transcrânienne et l&#39;IRMf pour examiner le réseau en mode par défaut

The default mode network is a group of brain regions that are active when an individual is not focused on the outside world and the brain is at "wakeful ...

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