Method Article
We applied repetitive transcranial magnetic stimulation (rTMS) to the unilateral hemisphere of rat brain, by placing a 25-mm figure-8 coil 1 cm lateral to the vertex on the biauricular line and angulating the coil by 45°. An in-house water cooling system was used for rTMS for more than 20 min.
Previous rodent models of repetitive transcranial magnetic stimulation (rTMS) adopted whole-brain stimulation instead of unilateral hemispheric rTMS, which is unlike the protocols used for human subjects. We report a successful application of rTMS to the unilateral hemisphere of rat brain. The rTMS was delivered with a low-frequency (1 Hz), high-frequency (20 Hz), or sham stimulation protocol to one side of the brain by using a small 25-mm figure-8 coil. We placed the center of the coil 1 cm lateral to the vertex on the biauricular line and angulated the coil 45° to the ground to minimize a potential direct effect of rTMS on the contralateral cortex. We also used an in-house water cooling system to enable repetitive magnetic stimulation for more than 20 min, even at a 20-Hz stimulation frequency. Increases in the transcriptions of immediate early genes (Arc, Junb, and Egr2) were greater after rTMS than after sham stimulation. After 5 consecutive days of 20-min 1-Hz rTMS, bdnf mRNA expression was significantly higher in stimulated cortex than in contralateral side. The model presented herein will elucidate the molecular mechanisms of rTMS by allowing analysis of the inter-hemispheric difference in its effect.
Estimulación Magnética Transcraneal Repetitiva (rTMS), una herramienta para la estimulación cerebral no invasiva y neuromodulación, se ha aplicado en el tratamiento de diversas condiciones tales como dolor central 1,2, depresión 3, migraña 4, e incluso ictus 5-7. La rápida evolución de la corriente eléctrica a través de bobinas en la cabeza induce un campo eléctrico en la corteza cerebral y una activación neuronal resultante. La excitabilidad de la corteza cerebral puede ser modulada por rTMS, que pueden durar durante más de 30 min después de la estimulación se termina.
Los mecanismos sugeridos de los rTMS efecto posterior incluyen la potenciación a largo plazo / efecto-depresión, tales como 8, cambio transitorio en equilibrio iónico 9 y 10 cambios metabólicos. Además, Di Lazzaro et al. sugieren que la estimulación theta-burst intermitente afecta a las entradas sinápticas excitadoras de neuronas piramidales de las vías, tanto en el estimuladoy el hemisferio contralateral 11.
limitaciones significativas, sin embargo, han obstaculizado los investigadores de la conversión de pruebas en laboratorio a situaciones clínicas. En primer lugar, en estudios previos en animales, estimulación magnética transcraneal repetitiva se utiliza para la estimulación de todo el cerebro 12. Estimulación de todo el cerebro es muy diferente de los protocolos utilizados en los estudios en humanos 9. El otro problema está relacionado con la duración de la estimulación. Esto es al menos en parte atribuible al hecho de que un sistema de enfriamiento eficaz no estaba disponible para las pequeñas bobinas en el pasado.
En los últimos años, los artículos seminales se han publicado sugiriendo formas para superar estas dificultades en el experimento rTMS en el cerebro pequeño animal. Por estos modelos animales, se reveló que el cerebro de rata también muestra cambios excitabilidad cortical similares a los humanos en respuesta a la rTMS de baja frecuencia 13. Más importante aún, los mecanismos celulares y moleculares de la rTMS son cada vez más being investigó utilizando modelos animales de rTMS. Un ejemplo de ello es que un tipo distinto de interneuronas inhibitoria es conocido por ser más sensibles a la estimulación theta ráfaga intermitente 14. modelos de roedores de rTMS, por lo tanto, ofrecen nuevas oportunidades para explorar cuestiones muy solicitado en las bases moleculares de los cambios inducidos por la estimulación magnética transcraneal repetitiva. Si los pequeños modelos animales de rTMS se pueden utilizar en varios laboratorios, se puede acelerar en gran medida y fortalecer la investigación en esta área.
A continuación se describe cómo aplicar estimulación magnética transcraneal repetitiva en el hemisferio unilateral de cerebro de rata, una extensión del trabajo previo 15. cambios estimulación inducida se evaluaron mediante el uso de tomografía micro-tomografía de emisión de (PET) y microarrays de ARNm para estudiar los cambios rTMS inducida en la corteza cerebral estimulado.
Todos los procedimientos que utilizan animales fueron revisados y aprobados por el Comité de Cuidado y Uso de Animales institucional del Hospital Universitario Nacional de Seúl.
1. Configuración Experimental
2. Estimulación Magnética Transcraneal Repetitiva
3. Micro por emisión de positrones
4. mRNA de microarrays
Quince de 8 semanas de edad ratas Sprague-Dawley fueron utilizados para un análisis entre los calificadores fiabilidad de la determinación separada MT. El uso de la palpación de contracciones musculares, los MTs se podían obtener en todas las ratas y se mide como 33.00 ± 4.21% de salida máxima estimulador (MSO%) y 33,93 ± 0,88% MSO, respectivamente, por dos investigadores independientes. sesgo de Bland y Altman fue -0.93, y los límites de 95% de acuerdo a la -9.13 eran 7,26%.
En el experimento de micro-PET en seis ratas de 8 semanas de edad (n = 4 en los rTMS 1 Hz, y n = 2 en el grupo rTMS falsa), la captación de 18 F-FDG en el rendimiento de la inversión se calcula como el promedio nCI / cc después de la calibración de ambas cortezas cerebrales ipsilateral y contralateral en las mismas imágenes. La radiactividad en la zona contralateral se usó como una referencia para normalizar los datos obtenidos en el área ipsilateral, y se calculó la relación de adsorción de diferencial (DUR).Los Durs medios obtenidos a partir de tres imágenes transversales consecutivos se promediaron para obtener el Durs para las ratas. Esta es la misma metodología utilizada en un estudio previo 21. 18 imágenes PET-FDG mostraron un aumento focal en el metabolismo de la glucosa en el área cortical izquierda estimulado en el grupo de 1 Hz, el apoyo a la unilateralidad de los rTMS (Figura 3).
En el estudio de microarrays de ARNm, la calidad del desempeño de hibridación y el chip en general fueron controlados por inspección visual, tanto de los controles de calidad internos y los datos escaneados primas. datos de la matriz se filtraron de acuerdo con un valor de detección de p <0,05 (similar a la relación de señal a ruido) en al menos 50% de las muestras (se requiere un valor de señal más alta para obtener un valor de detección de p <0,05). El valor de la señal gen seleccionado fue transformada por logaritmo y normalizó mediante el uso de un método de cuantiles. La significación estadística de la expresión data se determinó usando la prueba de Mann-Whitney U y doble cambio, en el que la hipótesis nula de que no existe diferencia entre la 1-Hz rTMS (n = 4) y los grupos sham (n = 4). La tasa de falso descubrimiento se controla ajustando el valor de p utilizando el algoritmo de Benjamini-Hochberg. Después de la normalización y filtrado, los ARNm que muestra expresiones diferenciales significativos (| cambio veces | 1,2, p <0,05) fueron seleccionados. Como resultado, los niveles de expresión de los genes tempranos inmediatos fueron significativamente mayores en el grupo de rTMS que en el grupo de tratamiento simulado, con las expresiones del arco, JunB, y los genes Egr2 upregulated (Figura 4A).
Además, se midió expresiones de ARNm de BDNF en la corteza contralateral estimulado y después de 5 días consecutivos de 20 min-estimulación magnética transcraneal repetitiva (n = 5 cada uno en la de 1 Hz y 20 Hz-grupos). Después de la estimulación de 1 Hz, la expresión de ARNm de BDNF fue significativamente higher en la corteza estimulado que en el contralateral (Figura 4B). Esto reveló rTMS inducida por los cambios en los diferenciales cortezas cerebrales estimuladas y contralateral.
Figura 1. Ajustes experimentales. (A) Un catéter intravenoso se inserta en una vena lateral de la cola (flecha), y un cono de nariz se utiliza para la anestesia con isoflurano, así como para suplemento de oxígeno después de una transición a propofol intravenoso. (B ) vista anterolateral dorsal durante la estimulación magnética transcraneal repetitiva. (vista posterior C) dorsal. La superficie de una bobina de figura de 8 forma un ángulo de 45 ° con el suelo para reducir al mínimo el potencial de la estimulación directa de la corteza contralateral. (D) una ilustración esquemática de rTMS falsa. La bobina se coloca 2 cm de distancia de e inclinado perpendicular (90 ° de rotación)a la bóveda craneal. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.
Figura 2. El sistema de refrigeración utiliza una bomba de agua de circulación con Motor. Embalaje de hielo en los cables de cobre de la bobina no es necesaria, ya que el sistema de refrigeración que envuelve el cable de la bobina es suficiente para enfriar el calor producido en los cables de cobre. La superficie de la bobina no está en contacto directo con el agua helada. El sistema de refrigeración está activo durante las sesiones de estimulación.
Figura 3. Tomografía por Emisión de Positrones (PET) de imágenes. (A) Las secciones coronales de imágenes de micro-PET deuna rata obtenido utilizando 2- [F-18] fluoro-desoxiglucosa, que muestra el aumento del metabolismo de la glucosa local en la corteza estimulada después de rTMS 1 Hz durante 10 minutos a 100% de los MT (flechas). (b) la relación de captación de FDG en la corteza estimulada / contralateral en el 1-Hz (n = 4) y la falsa rTMS grupo (n = 2). Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.
Figura 4. El mRNA de microarrays de los genes tempranos inmediatos y BDNF. (A) Arco, JunB, y Egr2 fueron expresados diferencialmente, que fueron identificados en el microarray obtuvieron 5 minutos después de 1 sesión de 1 Hz rTMS, ordenada por el cambio veces. Los niveles de expresión de los genes fueron significativamente mayores en el grupo de rTMS (n = 4) than en el grupo de tratamiento simulado (n = 4) (p <0,05 con Mann-Whitney U test), con la expresión de los genes de Arco, JunB, y Egr2 upregulated. (B) Después de 5 días consecutivos de 20 minutos a 1 Hz rTMS, la expresión del ARNm de BDNF fue significativamente mayor en la corteza estimulada que en el lado contralateral (* p <0,05, prueba de Wilcoxon signed-rank). Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.
El propósito principal de este estudio fue la introducción de un modelo animal de rTMS unilaterales. Aunque la estimulación unilateral es una de las características más fundamentales de la investigación rTMS humanos, muchos estudios no lo han adoptado en pequeños animales. Sin embargo, Rotenberg et al. 15 registraron eurodiputados contralateral con estimulación del MT 100% usando una bobina en forma de 8 con un diámetro exterior de lóbulo 20 mm, mientras que la estimulación con 112,5% y 133,3% MT produce ipsilateral, así como eurodiputados contralateral. Esto podría ser debido a que el campo eléctrico inducido grande puede afectar el hemisferio contralateral. Por lo tanto, nuestro estudio es una extensión de este trabajo previo 15,24, moviendo la bobina más lateral y la inclinación a acentuar la estimulación unilateral. El objetivo principal de este estudio se logró debido a que confirmó que las micro-PET reveló un aumento local en el metabolismo de la glucosa en la corteza cerebral estimulada después de estimulación magnética transcraneal repetitiva (Figura 3).
jove_content "> Ubicación y la angulación de la bobina son pasos críticos en este experimento. estimulación unilateral es posible colocando el centro de la EMTr bobina 1 cm lateral al vértice en la línea biauricular y angulación a las bobinas 45 ° con el suelo. La estimulación el sitio puede ser diferente de la corteza motora primaria (M1), dependiendo de la condición que los investigadores desea orientar rTMS. Por ejemplo, destinado a mejorar la depresión, la corteza prefrontal dorsolateral (CPFDL) se estimula con rTMS, pero el umbral motor, que también se mide en M1, determina la intensidad de la estimulación incluso para CPFDL rTMS del mismo modo, el punto de acceso -. 0,5 cm lateral al vértice en la línea biauricular - se utilizó para determinar el umbral motor en el presente estudio la corteza más lateral -. 1 cm lateral al vértice - fue seleccionado intencionalmente para asegurar la unilateralidad de la estimulación e investigar los cambios moleculares rTMS inducida. ve_content "> En cuanto a la intensidad del campo magnético dentro del tejido, en un estudio previo elemento modelado finito en el campo eléctrico inducido en el cerebro de ratón, el campo eléctrico inducido por el 70 mm figura-8 bobina a 75% MSO alcanzó aproximadamente 150 V / m en la superficie del cerebro y en la corteza. la intensidad de campo eléctrico se redujo drásticamente como la distancia aumenta, mostrando la profundidad máxima con mayor que 100 V / m fuerza era sólo 1,9 mm para la figura-8 bobina 70 mm 25. en otra rata estudio, a 10 mm de profundidad de la intensidad de campo eléctrico inducido se redujo hasta el 25% de los que en la superficie del cerebro 26. Curiosamente, la región media de potencia (HPR) era tan amplio como ~ 7 x 7 mm (0,51 cm 2) incluso cuando un 25 mm figura-8 bobina se utilizó 25. Aunque los números de hormigón no se proporcionaron para el 70 mm en forma de 8 de la bobina, Salvador y Miranda comentaron que la HPR para la bobina 70 mm era más grande que el de la bobina de 25 mm. Ya que queríamos evitar que el HPR de cubrir lahemisferio contralateral, se seleccionó un punto 1 cm lateral a la línea media. La inclinación era inevitable para asegurar el contacto directo entre el centro de la bobina y la superficie del cráneo en el punto de estimulación.La anestesia puede potencialmente deprimir la excitabilidad neuronal, metabolismo de la glucosa, y la expresión génica. Haghighi et al. puesto de manifiesto que el isoflurano a una concentración de 0,5% significativamente deprimidos eurodiputados transcraneal eléctricas registradas de ratas 17. Por otra parte, los eurodiputados se conservaron durante la infusión de propofol de hasta 40 mg / [kg · h], con amplitudes grandes restante en ratas 18. En un estudio en seres humanos, no se detectaron los potenciales de acción muscular compuesto (CMAP) durante la anestesia con isoflurano. Sin embargo, 333 Hz, la estimulación magnética de cuatro impulsos evocados CMAP en el músculo hipotenar en 75% de los pacientes, y en el músculo tibial anterior en 65% de los pacientes, durante la anestesia propofol 19. El uso de animales despertado puede ser una mejor opción en los Physaspectos IOLÓGICA, pero no son fáciles de sujetar durante rTMS y son propensos a condiciones de estrés.
Como solución de problemas, un refrigerador simple que utiliza una bomba de circulación de agua nos ha permitido extender la duración de la estimulación durante más de 20 minutos, incluso a una frecuencia de estimulación de 20 Hz. Esto es importante ya que permite a la mayor cantidad de estímulos como en los protocolos de rTMS para sujetos humanos. El enfriamiento de la bobina en forma de 8 con sólo una bolsa de agua enfriada con hielo de mano no era suficiente para garantizar la estimulación de más de 20 min. rTMS duración larga en pequeños animales proporcionará la oportunidad para una investigación a fondo de los mecanismos moleculares de la estimulación magnética transcraneal repetitiva. bobinas de rata enfriados comercialmente disponibles serán las alternativas razonables.
Hay varias limitaciones en este experimento. En primer lugar, solamente un impulso bifásico estaba disponible, que era una limitación de la máquina rTMS se utilizó. serán necesarios futuros estudios que investigan el efecto de varios pulsos y formas de onda.En segundo lugar, hemos adoptado un enfoque pragmático para determinar el umbral motor por palpación. Aunque este método puede ser inferior a las técnicas de EMG en términos de precisión, es fácilmente reproducible y aplicable a muchas hipótesis de investigación. Por ejemplo, si el propósito primario de un investigador fueron para investigar las diferencias entre la corteza motora primaria y subcortices adyacentes en el gen inducida por rTMS o expresión de la proteína, la determinación más precisa de umbral motor sería necesario. Si un investigador, sin embargo, querido analizar, pueden ser suficientes rTMS inducida por perfiles de expresión génica en el tejido cortical prefrontal dorsolateral el enfoque pragmático presente, ya que la distancia y el ángulo entre el tejido diana y la bobina pueden variar ligeramente durante el movimiento de la bobina de la M1 a la zona de córtex prefrontal dorsolateral. En tercer lugar, a pesar de que la rTMS aplicado con éxito en el hemisferio unilateral del cerebro de la rata, siendo la estimulación no es tan central como rTMS en la investigación humana. La fuerte eléctrico inducidocampo de ~ 0,5 cm 2 con menos de 10 cm 2 de la superficie de cerebro de rata parece relativamente más difusa que la de la superficie hemisférica humana de ~ 2.500 cm 2 27. Creemos, sin embargo, que el modelo presentado en este documento puede ser utilizado para elucidar los mecanismos moleculares de la estimulación magnética transcraneal repetitiva al permitir el análisis de la diferencia entre hemisférica en su efecto.
The authors have nothing to disclose.
This work was supported by the Korea Research Foundation Grant funded by the Korean Government (KRF-2008-313-E00458). The authors thank Jin-Joo Lee for the technical assistance.
Name | Company | Catalog Number | Comments |
Homeothermic blanket with a rectal probe | Harvard apparatus | 507222F | |
Isoflurane (Forane sol.) | Choongwae | ||
Propofol (Provive Inj. 1% 20 ml) | Claris Lifesciences | ||
Repetitive magnetic stimulator (Magstim Rapid2) | Magstim Company Ltd | ||
25 mm figure-of-8 coil | Magstim Company Ltd | 1165-00 | |
PET-CT | GE Healthcare | ||
QIAzol Lysis Reagent | Qiagen | (US Patent No. 5,346,994) | |
RNeasy Lipid Tissue Mini Kit | Qiagen | 74804 | |
RNeasy Mini Spin Columns | Qiagen | (Mat No. 1011708) | |
Agilent 2100 Bioanalyzer | Agilent Technologies | ||
Ambion Illumina RNA amplification kit | Ambion | ||
Nanodrop Spectrophotometer | NanoDrop | ND-1000 | |
Illumina RatRef-12 Expression BeadChip | Illumina, Inc. | ||
Amersham fluorolink streptavidin-Cy3 | GE Healthcare Bio-Sciences |
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