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.
반복적 인 경 두개 자기 자극 (RTMS), 비 침습적 뇌 자극 neuromodulation위한 도구, 예컨대 1,2- 중추 통증, 우울증 3, 4, 편두통, 심지어 5-7 뇌졸중과 같은 다양한 증상의 치료에 적용되어왔다. 머리가 대뇌 피질과 결과 신경 세포 활성화에 전기장을 유도에 신속하게 코일을 통해 전류를 변경. 대뇌 피질의 흥분이 자극이 종료 된 후 30 분 동안 지속될 수 RTMS에 의해 변조 될 수 있습니다.
후 효과 RTMS의 제안 메커니즘은 장기 강화 / 우울증 같은 효과 8, 이온 밸런스 9 과도 변화를 포함하고, 대사는 10을 변경합니다. 또한, 디 라자로 등의 알. 간헐적 세타 버스트 자극은 자극에 모두 기관의 신경 세포 삼각뿔하는 흥분성 시냅스 입력에 영향을 미치는 것이 좋습니다과 반대측 반구 (11).
중요한 제한은, 그러나, 임상 상황에 벤치 증거를 번역에서 연구를 방해했다. 우선, 이전 동물 연구에서, RTMS는 전체 뇌 자극 (12)을 사용 하였다. 전체 뇌 자극 인간 연구 9에 사용되는 프로토콜과 상당히 다르다. 또 다른 문제는, 자극 지속 기간과 관련이있다. 이것은 적어도 부분적으로 기인하는 효과적인 냉각 시스템이 과거의 작은 코일 사용할 있다는 사실이다.
최근 몇 년 동안, 정액 기사는 작은 동물의 뇌에 RTMS 실험에서 이러한 어려움을 극복하기위한 방법을 제안 발표되었다. 이러한 동물 모델에 의해, 쥐의 뇌는 낮은 주파수 RTMS (13)에 응답하여 인간에서와 유사한 대뇌 피질의 흥분의 변화를 보여준다 것으로 밝혀졌다. 더 중요한 것은, RTMS의 세포 및 분자 메커니즘은 점점 BEI 있습니다NG는 RTMS의 동물 모델을 이용하여 조사 하였다. 지점에있는 경우가 억제 interneuron의 구별 유형이 간헐적 세타 버스트 자극 (14)에 가장 민감한 것으로 알려져 있다는 점이다. RTMS의 설치류 모델은, 그러므로, RTMS에 의한 변화의 분자 토대에 많이 추구 질문을 탐구하는 새로운 기회를 제공합니다. RTMS 작은 동물 모델보다 실험실에서 사용될 수있는 경우 크게 가속이 분야에서 연구를 강화할 수있다.
우리는 지금 쥐의 뇌, 이전 작업 (15)의 확장의 일방적 인 반구에 RTMS을 적용하는 방법에 대해 설명합니다. 자극에 의한 변화는 자극을 대뇌 피질에서 RTMS에 의한 변화를 연구하기 위해 마이크로 양전자 방출 단층 촬영 (PET)와 mRNA의 마이크로 어레이를 사용하여 평가 하였다.
동물을 사용하여 모든 절차를 검토하고 서울 대학교 병원의 기관 동물 관리 및 사용위원회에 의해 승인되었습니다.
1. 실험 설정
2. 반복 경 두개 자기 자극
3. 마이크로 양전자 방출 단층 촬영
4. mRNA의 마이크로 어레이
다섯 8 주령의 수컷 흰쥐는 MT 판정 별도 간 레이터 신뢰도 분석을 위해 사용 하였다. 근육 경련의 촉진을 사용하여, MTS는 두 개의 독립적 인 연구자들에 의해, 모든 쥐에서 얻을 수있는 각각 33.00 ± 4.21 % 최대 자극기 출력 (% MSO) 및 33.93 ± 0.88 % MSO로 측정 하였다. 개성 - 알트 바이어스는 -0.93이고, 계약의 95 % 한도는 7.26 %로 -9.13이었다.
(가짜 RTMS 그룹 N = 1 Hz의 RTMS 4, 및 N = 2) 여섯 8 주령 쥐 마이크로 PET 실험에서, ROI는 18 F-FDG의 섭취는 평균으로서 계산되었다 같은 이미지의 동측과 반대측 대뇌 피질 모두의 보정 후 NCI는 / CC. 반대편 영역에있는 방사능 동측의 영역에서 획득 된 데이터를 정규화하기위한 기준으로 사용하고, 미분 흡수 비율 (DUR)를 산출 하였다.세 개의 연속 횡 영상에서 얻은 평균 DURs는 쥐에 대한 DURs을 구하는 평균화 하였다. 이러한 이전 연구에서 사용 된 동일한 방법론 21. 18 FDG-PET 이미지는 RTMS의 unilaterality 지원, (도 3)를 1 Hz에서 그룹의 자극 왼쪽 피질 영역에서 글루코스 대사의 국소 증가를 보였다.
mRNA의 마이크로 어레이 연구에서 혼성화 및 전체 칩 성능의 질 내부 품질 관리 검사 원시 스캔 데이터 모두 육안으로 관찰 하였다. 어레이 데이터는 적어도 50 %의 시료 (신호 대 잡음 비와 유사 함) <0.05의 검출 p 값에 따라 필터링 된 (높은 신호 값은 <0.05의 검출 (P) 값을 획득하기 위해 요구되었다). 선택된 유전자의 신호 값은 상용 로그로 변환하고 분위수 방법을 이용하여 규격화 하였다. 식 다의 통계적 유의성TA는 맨 - 휘트니 U 시험을 사용하여 결정하고 귀무 가설이 차이가 1 Hz에서 RTMS 사이에 존재하지 않는 것으로시킨 변화 폴드 하였다 (이 N = 4) 및 모의 군 (N = 4). 거짓 검색 속도는 Benjamini-호흐 베르크 알고리즘을 사용하여 (P)의 값을 조정함으로써 제어 하였다. 정규화 및 필터링 한 후, mRNA를 상당한 차이 식을 표시 (| 배 변경 | 1.2, P <0.05)가 선택되었다. 결과적으로, 즉각적인 초기 유전자의 발현은 상향 조절하여 아크 Junb의 표현 및 Egr2 유전자 (도 4a)와 가짜 군보다 RTMS 군에서 유의하게 높았다.
또한, 우리는 (1-Hz 단위 n은 각각 5, 20 Hz의 그룹) 20 분 RTMS 5 일간 자극 후에 반대측 피질의 BDNF mRNA 발현을 측정 하였다. 1 Hz에서 자극 후 BDNF mRNA 발현이 현저했다 highe반대측 온 (도 4b)에 비해 피질 자극 R. 이 차동 RTMS - 유도 자극과 반대측 대뇌 피질의 변화를 한 것으로 밝혀졌습니다.
그림 1. 실험 설정. (A) 정맥 카테터는 측면 꼬리 정맥 (화살표)에 삽입되고, 코 콘 스위치 오버 정맥 프로포폴을 한 후 산소 보충뿐만 아니라 이소 플루 란과 마취에 사용됩니다. (B RTMS. (C) 도설 후방보기 중) 등쪽 외측보기. 도면 오브 8 코일의 표면은 반대쪽 피질의 전위를 직접 자극을 최소화하기 위해 접지에 45 °를 각진있다. (D) 가짜 RTMS의 개략도. 코일은 수직으로부터 2cm 떨어진 위치 및 경사 (90 ° 회전)덮개 뼈에. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.
도 2 냉각 시스템은 코일의 케이블 enwrapping 냉각 시스템이 구리 와이어에서 발생하는 열을 냉각하기에 충분한 운동성. 코일의 구리선에 얼음 포장이 필요하지와 물 순환 펌프를 사용한다. 코일의 표면은 빙수와 직접 접촉하지 않는다. 냉각 시스템은 자극 세션 동안 활성화됩니다.
그림 3. 양전자 방출 단층 촬영 (PET) 이미지. (A)의 마이크로 PET 영상의 관상 섹션사용하여 수득 래트 2- [F-18] 플루오로 데 옥시 글루코오스 자극받은 피질 증가 로컬 포도당 대사를 나타낸 후 1 Hz에서 RTMS 이동 단말 (화살표)의 100 %에서 10 분 동안. (B) FDG 흡수 비율 1-Hz 단위 자극 / 반대측 피질 (N = 4)과 가짜 RTMS 그룹 (N = 2). 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.
그림 4. 즉시 초기 유전자의 mRNA의 마이크로 어레이 및 BDNF. (A) 호, Junb 및 Egr2는 차동 표현 된 마이크로 어레이에 확인 된 배의 변화에 의해 주문, 1-Hz에서 RTMS 1 세션 후 5 분을 (를) 획득했습니다. 유전자의 발현 레벨 (N = 4) 그쪽 RTMS 군에서 유의하게 높았다상향 조절 호, Junb 및 Egr2 유전자의 발현과 n은 가짜 군 (N = 4) (p <맨 - 휘트니 U 테스트와 0.05). (B) 20 분 1-Hz에서 5 일 연속 후 RTMS는 BDNF mRNA 발현이 반대쪽보다 자극 피질에서 유의하게 높았다 (* P <0.05, 윌 콕슨 부호 순위 테스트). 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.
본 연구의 주된 목적은 일방적 RTMS 동물 모델을 소개했다. 일방적 자극 RTMS 인간 연구의 가장 중요한 특징 중 하나이지만, 대부분의 연구는 작은 동물을 채용하지 않았다. 112.5 %와 133.3 % MT 자극은 동측과 반대측 유럽 의회 의원을 생산하는 반면, 로텐 버그 등. 15, 20mm의 외부 로브 직경 8 자형 코일을 사용하여 100 % MT의 자극과 반대측 유럽 의회 의원을 기록했다. 큰 유도 전기장이 반대측 반구에 영향을 미칠 수 있기 때문 일 수 있습니다. 따라서, 우리의 연구는 코일이 더 측면으로 이동하고 일방적 인 자극을 강조하기 위해 틸팅하여이 이전 작업 15,24의 확장이다. 우리는 마이크로 PET는 RTMS 후의 자극 대뇌 피질에서 글루코스 대사 로컬 증가 (도 3) 계시를 확인하기 때문에 본 연구의 주된 목적은 달성되었다.
jove_content "> 위치 및 코일의 각 형성이 실험에서 중요한 단계이다. 일방적 자극은 RTMS의 중심을 배치함으로써 가능 코일 1cm는 biauricular 라인의 정점 측 방향 및 지상 코일 45를 angulating. 자극 사이트 수사관 RTMS으로 타겟팅 할 수있는 조건에 따라 일차 운동 피질 (M1)와 다를 수있다. 예를 들어, 우울증을 완화하기 위해 상기 전전두엽 피질 (DLPFC)은 RTMS 자극되지만 모터 임계 어느 또한 M1에서 측정하고, 심지어 DLPFC RTMS에 대한 자극의 강도를 결정 마찬가지로, 핫스팟 -. 0.5 cm가 biauricular 라인의 정점 측 방향 - 본 연구의 모터 임계 값을 결정하는 데 사용되었다 더 외측 피질골을 -. 1cm를 정점에 측면은 - 의도적으로 자극의 unilaterality을 보장하고 RTMS에 의한 분자 변화를 조사하기 위해 선정되었다. 마우스 뇌에서 유도 된 전계에 이전 유한 요소 모델링 연구 조직 내의 자계 강도에 관해서 ve_content ">에 의해 유도 된 전기 필드 MSO는 V 약 150에 도달 8 자형 코일 75 %에서 70mm 뇌 표면과 피질 / m입니다. 전계 강도는 거리가 증가할수록보다 100 V / m의 강도가 최대 깊이를 보여주는 극적으로 떨어졌다 70 mm 그림-8 코일 (25)에 대한 1.9 mm였다. 또 다른 쥐에서 연구, 10mm 깊이에 유도 전기장 강도는 뇌 표면 (26)에 그 25 % 감소했다. 흥미롭게도, 반 전원 지역 (HPR)이 같은 광범위한했다 ~ 7 × 7mm (0.51 cm 2) 때에도 25 mm 그림-8 코일 (25)을 사용 하였다. 구체적인 숫자는 70 mm 그림-8 코일에 제공되지 않은 있지만, 살바도르와 미란다는 우리가 원하기 때문에 HPR은 70 mm 코일에 대해. 25 mm 코일보다 더 큰 것을 댓글 를 덮고에서 HPR을 방지반대측 반구, 우리는 1cm가 정중선 측 방향 지점을 선택했다. 틸팅 코일 중심 자극 점의 두개골 표면 사이의 직접적인 접촉을 보장하기 위해 불가피했다.마취는 잠재적으로 신경 흥분, 당 대사 및 유전자 발현을 우울하게 할 수 있습니다. Haghighi 등은. 쥐 17에서 기록한 0.5 % 크게 우울 전기 두개의 유럽 의회 의원의 농도가 이소 플루 란을 밝혔다. 한편, 진폭이 MEP들 쥐 18 대 남은 40 밀리그램 / [kg · 시간]만큼 높은 프로포폴 주입 중에 보존 하였다. 인간 연구에서, 더 복합 근육 활동 전위 (CMAP)는 이소 플루 란 마취하는 동안 발견되지 않았습니다. 그러나, 333 Hz에서는 4 개의 펄스 자기 자극은 환자의 75 %에서 hypothenar 근육에 CMAP을 유발하고, 프로포폴 마취 19 명 중 65 %에서 전방 경골 근육이다. 일으키게 동물을 사용하면은 phys에서 더 나은 선택이 될 수 있습니다학적 측면이 있지만 RTMS 동안 억제하기 쉽지 않다 스트레스 조건하는 경향이 있습니다.
문제로서, 물이 순환 펌프를 사용하는 간단한 쿨러도 20 Hz에서 자극 주파수에서 20 분 동안 자극 지속 기간을 연장 할 수있게. 이 피험자 RTMS 프로토콜과 같은 많은 자극 수 있기 때문에 중요하다. 전용 휴대용 얼음처럼 차가운 물 가방 그림-8 코일 냉각 20 분의 자극을 보장하기에 충분하지 않았다. 작은 동물의 긴 RTMS 기간은 RTMS의 분자 메커니즘에 대한 심층 조사를 위해 기회를 제공 할 것입니다. 시판 냉각 쥐 코일은 합리적인 대안이 될 것입니다.
이 실험에서 몇 가지 제한이 있었다. 우선, 단지 이상성 펄스는 우리가 사용한 RTMS 기계의 한계이었던 가능했다. 다양한 펄스 파형의 효과를 조사하고 향후 연구가 필요하다.둘째, 우리는 촉진하여 모터 임계 값을 결정하는 실용적인 접근 방식을 채택했다. 이 방법은 정확도의 관점에서 EMG 기술 열등 할 수도 있지만, 많은 연구 가설 용이하게 재현하고 적용 할 수있다. 연구원의 주된 목적은 RTMS 유도 유전자 또는 단백질 발현의 기본 운동 피질 인접 subcortices 차이를 조사했다 예를 들어, 모터의 임계치보다 정확한 측정이 필요하다. 연구자 경우, 그러나, 상기 대상 조직과 코일 사이의 거리와 각도가 상기 코일의 이동 동안 약간 변할 수 있기 때문에, RTMS - 유도 전전두엽 피질 조직에서의 유전자 발현 프로파일, 본 실용적인 접근 방식은 충분하다 분석 싶었 M1을에서 DLPFC 영역으로 이동합니다. 우리는 성공적으로 쥐의 뇌의 한쪽 반구에 RTMS을 적용하지만 셋째, 여전히 자극은 인간의 연구에 RTMS로 초점이 아니다. 유도 강한 전기 Fi를래트의 뇌 표면의 10 cm이 0.5 cm 2 ~ 중 ELD 2 27 우리가 판단된다. 그러나, 본원에 제시된 모델을 밝히기 위해 사용될 수있는 인간 반구면 ~ 2,500cm에 비해 상대적으로 확산 보인다 그 효과 간 차이 반구의 분석을 허용하여 RTMS의 분자 메커니즘.
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 |
JoVE'article의 텍스트 или 그림을 다시 사용하시려면 허가 살펴보기
허가 살펴보기This article has been published
Video Coming Soon
Copyright © 2025 MyJoVE Corporation. 판권 소유