文摘
尽管脑深部刺激(DBS)的临床应用越来越多,其基本作用机制仍知之甚少。铂/铱电极插入大鼠丘脑核的单边6-OHDA-induced内侧前脑束的损伤。六个行为参数比较对他们潜在的检测DBS效果。运动功能被(我)量化apomorphine-induced旋转,(ii)起始时间,(iii)的数量调整步进试验步骤,及(iv)总迁移距离开放的现场试验。感觉运动忽视和焦虑被量化(v)检索偏见在走廊里测试和迁移距离的比例(vi)中心与外围的开放的现场试验,分别。在我们的设置中,单极刺激被发现更有效的比双极刺激实现有益的长期DBS影响。性能在apomorphine-induced旋转测试6周后没有改善。DBS的起始时间减少侧爪子DBS的步进测试3周后3周没有DBS紧随其后。同样,感觉运动忽视了改进。后两个参数被发现是最适合于判断治疗DBS效果。
1。介绍
电刺激的大脑是一个新兴领域的治疗越来越多的神经和精神疾病。脑深部电刺激(DBS)建立了运动障碍的治疗,如帕金森病(PD) (1]。对于帕金森病晚期的病人,DBS的丘脑核(STN)是高效的可逆电动机赤字。除了运动和感觉运动障碍,PD患者还患有情绪障碍,即抑郁和焦虑。焦虑可能导致不仅运动机能障碍的,而且从STN的功能障碍(2]。最近,星展银行也被应用于早期PD (3]。然而,STN-DBS并不总是改善症状,它实际上可能恶化他们(4]。然而,只有有限的信息可以在(我)DBS在认知和情感特征的影响;(2)不同刺激模式的效率,特别是单极和双极刺激;和(iii)的长期可持续性停止DBS后症状减轻。
STN是最重要的一个目标区域的高频(约。130 Hz) DBS的病人,尤其是在患者晚期的PD耐火材料常规治疗(5,6]。历史上,星展银行开发修改手术消融,基底神经节,如STN,被不可逆转地摧毁作为最后的治疗选项在晚期帕金森病(7]。在手术过程中,电刺激是用于指导神经外科医生病灶的精确位置。DBS在手术损伤的主要优点是它的可逆性和调节刺激参数的能力8]。众所周知,DBS的STN也可能改善PD的红衣主教马达症状长期(9,10]。
Maesawa et al。11)首先描述DBS-related多巴胺神经元的保护STN-DBS SNc的6-OHDA hemiparkinsonian老鼠。后来,Harnack et al。12)描述大约的保护。50%的多巴胺能神经元nigral在SNc STN-DBS相比sham-stimulated和幼稚的老鼠。Spieles-Engemann et al。13]证明脑源性神经营养因子的水平的增加和吴et al。14)观察细胞凋亡的减少在黑系统STN-DBS 6-OHDA-lesioned老鼠。其他作者描述了神经元的保护甚至神经发生DBS在其他大脑区域(15,16]。
显然,需要更多的信息来探索DBS的完整的治疗潜力。例如,并不总是最优目标区域,和星展银行行为的基本机制仍知之甚少(17- - - - - -22]。此外,副作用不能总是避免。因此,研究最优DBS技术及其神经机制是必要的。与临床情况下,允许一个比较长期考试动物模型的可用性和行为测试是至关重要的。许多团体报告结果来自动物模型与外部刺激器,虽然这些DBS的使用很短的时间。在某些情况下,只使用麻醉动物。长期行为的结果还没有被充分研究(评论[23,24])。然而,小型移动刺激器的自由移动的小鼠或大鼠慢性仪表长达五周最近开发的几组(11,25- - - - - -32),包括我们自己的(33]。这样的动物模型允许测试的药物或自发的行为作为一种量化的影响lesion-induced或DBS-induced运动功能和行为的变化。
在实验DBS开创性工作,不锈钢电极被用来优化电极在大脑中的位置(34,35]。然而,不锈钢电极过时的和不适合当前的研究。使用它们在长期的实验是预防由于腐蚀和不利影响对周围脑组织(36- - - - - -38]。
这里,我们结合修订版本的小型constant-current-pulse发生器(33]新Pt / Ir测试电极的影响不同的模式的STN-DBS的行为表现6-OHDA-induced hemiparkinsonian老鼠(39]。几个测试已经开发的详细评价自发运动和感觉运动功能在啮齿动物40- - - - - -42]。在这里,我们选择了四种不同的行为测试:(i) apomorphine-induced旋转测试(43,44),(2)的测试(45),(iii)走廊测试(46),(iv)的修改版本古典开放现场试验(47]。从这些测试,六个定量参数测定来描述损伤的影响,DBS-induced运动功能的变化,感觉运动忽视,勘探和焦虑行为。
2。材料和方法
2.1。动物
男性纯种汉人的老鼠(240克- 260克;Crl: WI(汉族)鼠形:RRID: RGD_2308816)获得来自查尔斯河实验室(Sulzfeld、德国)和安置在温控条件下在12 h光暗周期与传统啮齿动物随意提供食物和水。这项研究是按照欧洲共同体理事会指令86/609 / EEC的实验动物,当地的动物保健委员会批准(LALLF mv / TSEM / 7221.3 - -1.2 -019/10)。
2.2。电极
两种类型的微电极是定做的一轮Pt / Ir合金(Pt90 / Ir10)电线,绝缘的polyesterimide但留下光秃秃的提示(图1)。单极微电极是购自Polyfil(瑞士楚格州)和双微电极买来FHC(鲍登,我,美国)。他们的远端结束与生物相容性的绝缘电线。避免过度加热钎焊,电缆与导电银胶,由生物相容性塑胶管和密封在生物相容性的矽胶(美国Carpinteria NuSil技术)。单极电极驱动对金线对电极(30毫米长度,直径200µ米)。双极电极不需要额外的反电极的植入。
2.3。手术
使用立体定向手术进行帧(美国Stoelting、木材Dale, IL)。老鼠被腹腔注射盐酸氯胺酮麻醉(10毫克/ 100克体重,接受®,辉瑞,卡尔斯鲁厄,德国)和甲苯噻嗪(0.5毫克/ 100克体重,Rompun®,辉瑞)。在手术过程中,他们的眼睛被Vidisic免受脱水®(博士伦和随着,柏林,德国)。
头骨被打开使用牙科rose-head钻(Kaniedenta, Herford,德国)。诱导hemiparkinsonism,老鼠进行单边注入6-OHDA到正确的内侧前脑束。24µg 6-OHDA溶解在4µl 0.1 M柠檬酸缓冲被交付通过5 / 4分钟µl汉密尔顿微量调节注射器。Sham-lesioned老鼠收到4µl 0.1 M柠檬酸缓冲以相同的方式交付。立体定向坐标,相对于前囱,前后(美联社:−2.3毫米),medial-lateral (ML: 1.5毫米),和dorsal-ventral (DV:−8.5毫米)([48];RRID: SCR_006369)。手术后,伤口缝合和动物收到0.1毫升novaminsulfone (Ratiopharm,乌尔姆,德国)和4毫升生理盐水皮下注射。为了防止体温过低,使用热灯直到生命机能恢复正常。病变手术的成功与apomorphine-induced旋转测试评估手术后12 - 14天。
损伤诱导大约3周后,电极植入他们的刺激技巧在STN本地化。的坐标,相对于前囱,美联社:−3.5毫米,ML: 2.4毫米,和DV:−7.6毫米([48];RRID: SCR_006369)。较短的反电极双极电极的尖端的所以他们侧刺激小费。电极轴是固定在头骨的牙胶桥丙烯酸树脂(Pontiform automix 10: 1,穆勒& Weygandt GmbH Budingen)连接到锚螺钉固定在头骨上方的左半球。图2说明了单极电极方向。
电极植入后,刺激的电缆和反电极接触皮下植入了一个中央背出口(图3(一个))。手术后,大鼠治疗后以同样的方式作为6-OHDA注入。老鼠被允许恢复刺激开始前八天。
(一)
(b)
2.4。慢性仪器
手术后一周,插头(m52 - 040023 v0545 Harwin Plc、汉普郡,英国)是卷曲电极电缆(图3 (b))。连接器确保灵活性的使用商业鼠夹克(Lomir生物医学,魁北克,加拿大),它包含刺激器和电池在一个定制的面料背包(图2(e))。
设置允许完全自由流动的动物在很长一段时间。刺激器板免受机械应变和水分通过一个定制的聚甲基丙烯酸甲酯框和连接到外部电池电流脉冲。开始时的刺激,电极连接器插入刺激器(图2)。整个刺激器系统小型化和专为最低功耗相对于我们的初步版本(33]。一个单独的持久的脉冲发生器电池插入底部的DBS刺激器。只有电池电流脉冲(图2交换(e)必须在4周。
夹克和电缆是每日进行检查,以确保设备的长期效果。电缆被撕掉的动物异常情况立即更换。夹克必须每周更换,因为穿。刺激信号与一个示波器同时检查夹克所取代。从来没有一个问题电池或刺激器硬件。
2.5。刺激条件下
提供的刺激器矩形单相电流脉冲。不同治疗组刺激了3天,3周、6周。在所有的实验中,刺激器调整到60的脉冲宽度µsec的负脉冲电流−200µ一个应用于刺激单极电极或近端双极电极。脉冲重复频率为130赫兹。对于sham-DBS控件,只使用双极电极,因为他们产生更多的机械应力在外科手术组织。
2.6。行为测试
病变的影响——DBS-induced改变动物的行为量化使用药物引起apomorphine-stimulated旋转测试和三个non-drug-induced测试(步进走廊,和田野测试)。实验在不同的时间:(我)前病变感应;(2)12 - 14天后病变或虚假的损伤诱导;(3)DBS后3天或3天与刺激器(虚假的刺激);3周后(iv) DBS或3周与刺激器(假刺激);(v)≥3天后停止DBS DBS之后3周;星展银行(vi)后6周;(七)3周后停止DBS之后3周的星展。详情见表1和图4。
2.7。Apomorphine-Induced旋转测试
评估药物引起的运动功能,阿朴吗啡(0.25毫克/公斤体重溶解在盐水)皮下注射。旋转在一个定制的量化“rodent-rotometer”修改根据Ungerstedt Arbuthnott [44]。病理盘旋,的速度每分钟旋转(rpm),侧6-OHDA-lesion网站确定电子超过40分钟。旋转项至少2 rpm表示成功的病变。随后,动物被分配到组,组组成的老鼠有大约相同的意思是旋转值。旋转测试是重复的一天后,因为第一个阿朴吗啡应用程序通常不导致最大响应。
2.8。步进试验
步进测试,评估前肢运动不能,本质上是表现被奥尔森et al。45]。简单地说,老鼠在桌子上和桌子上可以解决所有的四肢。实验者然后把下半身抓住背后的老鼠在颈部和前脚掌,只有前脚掌接触表。然后,前爪是克制的,免费的前爪,还是触摸表,以平稳的速度波动沿着桌子表面的速度在两个方向上大约1米/ 5 s。手动调整步骤的数目是计算两个脚掌的运动的正手和反手方向。两个方向的侧的偏差的百分比计算步骤侧爪子对脚掌的步骤的总和(50%的预期控制)。此外,所需的时间开始第一步调整老鼠的笼子前脚掌的记录。的情况下(即立即响应。,when the initiation time was too short to be registered manually), the time was recorded as zero.
2.9。走廊的测试
评估感觉运动忽视,我们使用了走廊测试(46]。很长一段狭窄的木质走廊(长240厘米,宽7厘米,高23厘米)装备有14个等距对相邻锅(直径:1.2厘米)放置在走廊的两边。每个锅包含五个蔗糖奖励平板电脑(5图;美国TestDiet®)。走廊的透明塑料盖允许我们在测试期间观察大鼠。在测试之前,老鼠food-restricted只有1小时每天允许喂养(“餐”)为4天。两个测试进行相同的条件下连续两天。试验开始时将老鼠进走廊的一端,在那里自由地探索,转过身,和饲料颗粒。“检索”之一是计算当动物鼻子戳进一锅糖颗粒,无论它实际上检索或吃任何球。每个新锅的探索是算作一个额外的检索。 To reduce exploration behavior of the corridor itself, rats were placed into an identical, empty corridor beforehand. The number of retrievals ipsilateral and contralateral to the side of the lesion were recorded manually over 5 min. The contralateral bias was expressed as the percentage of the retrievals made on the contralateral side relative to the total number of retrievals.
2.10。开放的现场试验
自发流动和焦虑进行评估通过将老鼠在一个广场空地竞技场(46厘米×45厘米)在隔离箱。动物被蒙在鼓里的考场1 h开始前的测试。开放的领域是被一个白人照片灯泡提供200到250勒克斯。在测试过程中,老鼠被摄像头监控。田野被分为一个中心区域(22厘米×22厘米)和外围区使用跟踪软件Ethovision XT(美国弗吉尼亚州Noldus信息技术、斯;RRID: SCR_000441)。这使得自动记录大鼠的运动在两个区域。每个老鼠测试一次10分钟。每个会话后,田野是清洗防止气味影响下一个动物的行为。总迁移距离被作为衡量自发流动和迁移距离的比值在中心区域内的总距离移动被解释为一定程度的焦虑。
2.11。统计数据
与SAS软件包进行数据分析,为Windows 9.4版本(版权,SAS研究所Inc .,卡里,数控,美国RRID: SCR_008567)。描述性统计和计算测试正常单变量过程使用SAS软件基础。数据可以被认为是近似分析了正常单向重复测量方差分析的混合过程SAS / STAT软件模块。研究治疗方法的模型包含了固定因素“时间”与不同级别(prelesion, postlesion 3 d 3 w, 3 w + 3 d和6 w)为每个治疗。重复测量相同的动物在反复考虑混合过程的语句使用时间的重复效应,主题=动物选项定义块残协方差矩阵和类型= c选项来定义其协方差结构。最小二乘方法(LSM)和标准错误(SE)计算每个时间每个治疗水平和与“postlesion”LSM使用Dunnett-Hsu过程与控制(成对多个比较)。
每次调查治疗(prelesion postlesion, 3 d, 3 w, 3 w + 3 d和6 w)分析单向方差分析的混合过程SAS / STAT软件模块。倍的模型包含了固定因素治疗(见表1)。LSM和SE是计算每个时间和治疗水平的比较成对使用Tukey-Kramer过程(成对的多个比较所有可能的对)。效果和差异被认为是重要的 。
3所示。结果
3.1。电极位置的确认
STN的电极定位技巧是评价回顾性分析Nissl-stained cryosections STN的选定的老鼠。它提出了一个精确的电极放置在大约75%的情况下,类似于病变手术的成功率(见下文)。一个全面的组织学评估正在进行中。
3.2。运动活动
损伤诱导成功的评估是基于apomorphine-induced旋转测试结果在手术后12 - 14天。成功率(rpm≥2)大约是75%,死亡率低于10%。在apomorphine-induced旋转测试,减少旋转检测DBS后3天,3周后。在这些情况下,单极刺激比双极刺激(图更有效5)。然而,6周后,病理旋转又发现了,无论DBS已经3周后继续或停止。正如所料,没有病态的旋转中检测出天真或sham-lesioned老鼠。
(一)
(b)
自发运动活动评估是基于总迁移距离开放的现场试验。6-OHDA损伤降低了总迁移距离,而天真的老鼠显示增加边际总距离与每个试验,可以解释为习惯化与重复暴露开放领域。相比之下,星展银行减少了总迁移距离,在大多数的群体。总迁移距离增加在3天后停止DBS之后3周的DBS单极电极(图11)。
3.3。失去活动能力
评估的影响lesion-induced运动不能,参数爪运动的“起始时间”和“数量的调整步骤”中记录的测试。老鼠接受双相情感DBS,显著减少侧前爪踩的起始时间后观察3天但不是DBS(图3周后6)。单极DBS在长期,显著改善被发现3周后停止DBS之后3周的星展。类似的效果观察6周后,连续刺激,虽然与边缘意义。
(一)
(b)
(一)
(b)
出乎意料,我们观察到的起始时间的增加身体的同侧的前爪踩后6-OHDA损伤在一组,没有DBS在任何组织的有益影响。此外,我们发现了一个加重DBS效应3周后效果消失后3天停止DBS(图7)。
受损侧爪运动(侧偏见)数量的决定是基于侧和侧前脚掌的调整步骤。侧偏差的显著差异在被迫回避在只有一个情况下被发现。侧偏见正手方向恶化单极DBS(图。6周后8)。反手方向,未发现重大DBS的影响(图9)。总的来说,侧偏差测量的测试似乎并没有受DBS疗法(表2)。
(一)
(b)
(一)
(b)
3.4。感觉运动忽视
在走廊里测试,DBS的感觉运动忽视应用减少了单极电极(图3周10)。有益效果持续至少3周后停止DBS,虽然与边缘意义。有趣的是,6周连续DBS没有展示同样的有益效果,并与双极电极DBS没有任何明显的有利影响。
(一)
(b)
(一)
(b)
3.5。焦虑
开放的现场试验提供运动活动和焦虑行为的信息。虽然总距离(图11)是由运动功能和焦虑,距离(中心与外围运动)的比率主要反映了焦虑。在未经处理的天真的老鼠,比一般的距离随着时间的增加,表明习惯化效果,和虚假的DBS-treated天真的老鼠和DBS-treated sham-lesioned老鼠保留这种行为(图12)。然而,治疗组的距离比例显著增加,DBS单极电极3或6周后,但不是3天后。相比之下,距离比治疗组中增加了DBS双电极后3天,但不是3周后。轻微的增加 远处的比率也观察到经过6周的骗局与单极电极刺激。
(一)
(b)
表2总结测试结果为DBS-induced参数变化。
4所示。讨论
4.1。Hemiparkinsonian鼠模型
的6-OHDA-induced hemiparkinsonian鼠模型建立了研究治疗方法治疗PD (11,35,49- - - - - -51]。尽管这个模型是反映PD患者的主要行为障碍特点,动物研究受到限制自由流动和/或侵入性手术和短观测时间从几分钟(35,49,51- - - - - -54]许多天12,24,55- - - - - -57]。据我们所知,可拆卸和可重用的设备只有之前使用的行为等。28]。
从90年到130赫兹频率通常被接受为最优引出DBS的病人的治疗效果52]。在这个频率范围,临床观察到的好处是最大和更在原子核下游恢复正常活动模式(22]。最近发现在先进的PD患者成为耐火材料的常见的高频刺激显示恢复节段和轴向症状的改善,步态障碍,levodopa-induced运动障碍后刺激频率减少到60赫兹(58]。在这里,我们使用脉冲频率130赫兹的实验,尽管这个频率DBS的成立更大的人类大脑。
在PD患者中,单极刺激是星展银行的首选模式。所以等。51)也建议使用单极刺激hemiparkinsonian鼠模型中,尽管他们没有发现差异的影响单-和双极刺激药物引起的运动测试。我们的第一个实验(3周)显示更大的比双单极DBS DBS有益的影响。由于这些原因,只有单相实验扩展到6周(图4)。
4.2。不同的行为测试的结果
测试的成功测试初始损伤和运动功能,经典的药物引起的旋转试验使用。病态的旋转以应对政府的多巴胺(DA)受体激动剂阿朴吗啡或DA-releasing药物安非他命43,44,59,60]。
在部分损伤动物,Hefti et al。59)没有发现apomorphine-induced旋转,而安非他命诱导剂量依赖性侧旋转。这些作者观察到侧apomorphine-induced旋转只有在严重损伤的动物,这是与我们的结果。这些发现的结果符合Da Cunha et al。60),调查的旋转方向是谁阿朴吗啡或安非他明引起的部分和严重损伤的动物。在严重6-OHDA-lesioned老鼠,apomorphine-induced旋转显示更多的信息比amphetamine-induced旋转在不同程度的病变之间的歧视61年]。
有趣的是,我们发现减少apomorphine-induced旋转如果DBS是申请3天或3周双极或单极模式,后者是更有效的(图5;表2)。Apomorphine-induced旋转6周后回到pre-DBS水平连续DBS或连续3周后DBS 3周没有DBS紧随其后。正如下面所讨论的,STN-DBS-induced疗效不预测反映在apomorphine-induced旋转的速度。因此,减少的原因apomorphine-induced旋转后3周的星展银行还不清楚。这种影响不是surgery-induced因为它没有发生在6-OHDA-lesioned sham-stimulated老鼠。假设STN-DBS暂时增加纹状体DA营业额,描述了迈斯纳et al。50),DA受体可能是暂时性的减少过敏的几周的时间尺度。我们假设这种效果并不是永久的在我们的模型中,因为众所周知,在黑质致密部多巴胺能神经元(SNc)最终退化导致几乎完全缺乏纹状体DA的释放。
我们相信apomorphine-induced旋转并不是一个合适的参数测试STN-DBS的有利影响。apomorphine-induced旋转测试之前的局限性。梅斯和Whishaw62年]表明,apomorphine-induced转速不与自然和技术达到或梯级行走任务。在一项研究apomorphine-induced旋转,Chang et al。63年)没能证明任何影响的STN-DBS 6-OHDA-induced hemiparkinsonian老鼠。他们得出的结论是,多巴胺能激活的apomorphine-induced失衡可能不一定提高了星展银行。相比之下,STN-DBS已经被证明可以减少甚至扭转6-OHDA-lesioned老鼠(amphetamine-induced旋转的方向11,35,49,51]。然而,amphetamine-induced旋转测试有其局限性。Kirik et al。64年]表明,起始时间步进的测试是一个比amphetamine-induced旋转试验更敏感的指标。因为这些限制,一些作者已经引入了新的方法来评估DBS的影响,如无毒自动化rotarod方法定量评价总体汽车赤字(65年]。
此外,我们的研究结果表明,减少的起始时间侧前爪诱导了DBS并不符合旋转测试的结果与单极刺激。最短的起始时间侧爪子观察3周后停止DBS之后3周的连续DBS(图6;表2)。我们组织的调查显示,在黑质多巴胺能神经元没有再生(结果没有公布)。这表明持久DBS效应可能与年轻大鼠的神经可塑性。的起始时间的增加身体的同侧的爪子6-OHDA损伤后远低于对侧增加。然而,这个结果确实表明,两个半球受到单方面6-OHDA病变,如我们以前所示的星形胶质细胞的激活对侧纹状体后6-OHDA病变(66年]。
在开放的现场试验发现的运动活动变化进行解释时应特别谨慎,因为他们可能受到各种修改因素,包括习惯化,需要探索,和焦虑的影响。事实上,我们观察到田野的习惯在天真的老鼠在总迁移距离和焦虑比参数距离。病变引起的减少运动活动,以总迁移距离。DBS诱导进一步减少,即使在sham-lesioned老鼠(图11;表2)。这些额外减少停止DBS后逆转,没有发生在sham-stimulated老鼠。我们解释DBS-induced减少在运动活动减少动物的健康由电刺激引起的。这些结果表明,刺激参数要重新考虑在未来的实验中。
不仅在PD患者中,焦虑可能导致运动功能的障碍,但也STN的障碍。实验与双边STN-lesioned老鼠在高架+迷宫测试也表明这样一个连接(67年]。这里,我们评估焦虑行为使用田野参数”中心迁移距离比总迁移。”这个参数量化的需要之间的平衡动物探索环境需要谨慎,这使他们从探索保护中心明亮开放的场的盒子。在我们的环境中,天真的老鼠变得更加好奇和不那么焦虑随着时间的推移,由于习惯化。同样,减少焦虑行为通过6-OHDA-lesioned老鼠可以解释为习惯打开字段(图12)。基于这些结果,增加距离比观察DBS后不得DBS的作用,而是习惯化的效果。相比之下,距离比sham-lesioned老鼠和sham-stimulated天真的老鼠(即。,健康的老鼠在断开连接的电极)保持在他们最初的水平。电极植入后的大鼠的活动建议手术本身的副作用和治疗相关的减少老鼠的健康。
走廊里测试最初建立检测单侧性的感觉运动集成(61年]。它已经成功地应用于演示的可行性丘脑中线parafascicular核作为目标的DBS 6-OHDA-lesioned老鼠(55,68年]。在我们的研究中,3周的STN-DBS单极电极减少感觉运动忽视。停止DBS之后,这种效果坚持边缘意义至少3周(图10)。6周的连续DBS没有相同的有益效果。
这些发现质疑不同的机制是否负责观察急性和慢性DBS的影响,以及持续的运动和感觉运动功能的影响。这些差异可能是一个可能的原因是不敏感的发展向DBS,反映基底神经节的变化网络(22]。此外,调整慢性DBS刺激参数可能是必要的,在临床实践中是很常见的,为了弥补造成的阻抗增加发展的动脉外膜组织electrode-tissue接口(69年]。
这里,我们建议测试的自发运动,如步进测试,更与检测相关的有利影响DBS比apomorphine-induced旋转测试和提供不同的信息。然而,这一结论并不适用于amphetamine-induced旋转测试的不同机制这两个旋转测试(见附录)。
我们的研究结果表明,持续DBS影响6-OHDA-lesioned神经网络可以保护的结果或生理功能的一部分,这些网络的再生与运动缺乏多巴胺神经元的活动。另外,DBS的持久的影响可能来自DBS-induced效果模拟STN的永久性损伤,例如,通过相应的发展中动脉外膜的影响。这样的机制可以解释我们的发现持久DBS影响步进的侧前掌的起始时间测试(图6),与边缘意义,虽然感觉运动忽视在走廊里测试(图10)。“模仿”DBS-induced STN病变会同意缺乏有利影响了在开放领域的行为。
产生不同的大脑状态和行为的影响被认为是在附录。图13展示了四个不同的大脑状态在一个单一的方案进行半球hemiparkinsonian鼠:健康的大脑损伤的影响,DBS损伤后,损伤后和阿朴吗啡管理。
4.3。在分子和受体水平的影响
基于之前的研究,显然是矛盾的结果取得了分子和受体的水平。DBS-related减少细胞外DA的水平及其代谢物的背侧纹状体的一部分所描述的沃克et al。70年)符合DA代谢物的浓度下降DOPAC (3-4-dihydroxyphenylacetic酸)在纹状体的细胞外液发现山本et al。71年]。相比之下,他et al。72年)描述DBS-induced增加细胞外纹状体DA浓度。最近,由慢性DBS gaba ergic激活已被证明是负责补偿电动机不对称在hemiparkinsonian老鼠73年]。
在受体水平,缺少神经递质输入被认为导致补偿性upregulation受体数量或灵敏度。根据这一观点,lesion-induced减少谷氨酸释放的皮层和纹状体造成改变活动沿着striatum-D1 receptor-EP / SNr-thalamus途径会导致upregulation谷氨酸受体在大脑皮层和纹状体。然而,DBS后损伤被发现反向增加纹状体谷氨酸受体数量(57)和增加D1受体的数量,这可能提高电动机PD患者的症状(74年]。同时,DBS的数量减少D2和D3受体在大鼠伏隔核,这可能导致不良DBS-induced神经副作用,如冷漠(74年]。
大多数生化研究下进行急性或subchronic STN-DBS(7天)。然而,深入洞察DBS-mechanisms及其长期或持续影响(≥6周)需要适合的动物模型结合生物化学,电生理学、光学显微镜、和其他成像方法,以及行为测试。
5。结论和展望
据我们所知,我们现在第一行为调查自由移动的大鼠慢性仪表长达6周,这使得动物适应仪器进行比较行为测试,允许我们在不同的时间在急性DBS条件下和DBS后停止。在我们的设置中,我们发现单极刺激更有效实现几个有益的长期DBS影响。行为变化在我们的测试中,步进和走廊测试是最适合的评价DBS-induced运动和感觉运动的改进。星展银行停止后3周的时候,一些效果持续至少3周,如减少启动时间侧爪子的步进试验和在走廊里侧的轻微减少偏见的测试。相比之下,表现apomorphine-induced旋转测试6周后没有改善。我们的发现可能表明再生神经电路在缺乏多巴胺能神经元。这将使apomorphine-induced旋转一个合适的测试来确定的长期成功6-OHDA损伤但不是非常丰富的测试来确定DBS的有利影响。在解释焦虑行为,研究人员必须考虑之间的持续时间与习惯影响测试重复虚假和实验动物。
的决心非常快的反应时间是困难的。改善这些测试的统计力量,更大的样本量应结合视频检测的反应时间。我们的模型可以被认为是一个多才多艺的平台,允许独立测试单独的元素,如电极和counter-electrodes。相对简单的修改我们的模型的测试将允许未开拓的目标区域在其他神经退行性疾病。
此外,各种电气参数测试,如刺激频率和信号的形状。据我们所知,目前还没有进行系统的调查频率应用于人类是否适合使用更小的动物。我们相信这个问题需要进一步调查,考虑异速生长的影响生物体各种大脑大小。我们的研究结果可能有助于在发展中减少组测试参数来促进这项研究。
主要问题还有待阐明DBS行为的机制。尽管6-OHDA损伤诱发PD-like症状,长期DBS的影响在我们的模型可能是一个新出现的的结果或者加强现有的神经元回路补偿缺乏年轻老鼠大脑内的多巴胺。这一结果可能表明DBS-related运动和感觉运动的改进,没有检测到改善旋转测试的结果,表明DBS影响神经元的激活替代电路。如果这个假说是由未来的研究,调查的影响刺激可能是有用的在其他领域,比如中风的研究。
附录
一个简化的方案进行半球的Hemiparkinsonian老鼠
图13提出了一种简化的方案进行半球,说明不同的大脑状态,立即引起改变神经递质释放和在不同的大脑区域的活动。长期改变受体数量或敏感性并不描述。应该注意的是,该计划只能尝试的定性描述独立的影响。的相互作用进行半球必须考虑与其nonlesioned解释整体效果,例如,安非他明政府的影响。旋转效应可以用假设来解释诱导hyperactivation皮层的一个半球导致肌肉活动的一般模式侧活跃的一面,这将导致弯曲身体的向这边,随后,旋转侧极度活跃的半球。
描述影响,原则上也适用于当一个连续治疗的省略。因此,该计划允许预测多个场景,比如DBS的影响没有损伤或阿朴吗啡管理没有星展。然而,合并后的实际大小影响显著不同的大脑区域的活动可能有所不同,导致不同个体反应。简短的总结不同状态图所示13下面给出。
健康的大脑。没有颜色或者箭头,指定偏离正常的大脑活动,适用。
病变的影响。SNc的消灭(红十字会)停止DA输入D1和D2受体的纹状体。沿着D1通路,减少gaba ergic entopeduncular核的抑制导致增加活动/黑质pars试(EP /信噪比)。沿着D2通路,对苍白球的影响(GP)逆。GP的增加gaba ergic抑制导致减少了STN的抑制,导致增加活动的EP /信噪比的影响D1通路(注意,减少箭头宽度象征着平行D1和D2信号通路的EP /信噪比)。D1和D2-signaling通路的同时影响导致EP /信噪比活动的增加,从而导致增加抑制丘脑和减少后续进行半球的大脑皮层的活动。
阿朴吗啡效应(诱导旋转)病变。SNc抹去之后失踪的纹状体DA输入导致的oversensitization D1和D2受体阿朴吗啡,DA受体激动剂,损伤侧纹状体。系统性管理阿朴吗啡后,D1 -和D2-mediated效果的差别(灰色箭头)导致对这些EP /信噪比,因此,一个更强大的输出从丘脑皮层的同侧半球侧半球相比,D1和D2受体保留正常的敏感性。过度活跃的侧对侧皮层增加肌肉紧张的身体,导致弯曲导致侧旋转。
星展银行的影响。DBS减少STN的过度活跃,导致降低活动的EP /信噪比。在理想情况下(如蓝色箭头的宽度表示的STN框),这个活动减少可能正常化的抑制丘脑,因此大脑皮层的活动。这一结果要求STN-DBS可以过度损伤沿EP /信噪比的影响途径。如果是这样,单边DBS nonlesioned动物应该致使丘脑和大脑皮层刺激半球。事实上,像阿朴吗啡在损伤动物,DBS nonlesioned老鼠可以诱导侧旋转(75年]。在进行动物,DBS无法逆转的过敏症D1和D2受体,因此对apomorphine-induced旋转没有影响。整合DBS和阿朴吗啡效果防止治疗DBS的检测效果apomorphine-induced旋转测试。
损伤后安非他命的效果(诱导旋转)。安非他明引起增加DA释放,抑制其再摄取。在6-OHDA-lesioned老鼠,安非他命的效果只能发生在侧半球,因为侧SNc的多巴胺能神经元退化。系统性的安非他命政府hyperactivates侧皮层,导致身体的同侧的旋转。DBS应该减少大脑皮层活动的不对称的半球激活大脑皮层的损伤(同侧)半球。事实上,减少甚至降级的amphetamine-induced旋转STN-DBS发现6-OHDA-lesioned老鼠(11]。
这些考虑建议的相关性更高amphetamine-induced旋转测试来评估治疗DBS效果,尽管apomorphine-induced旋转测试用于确定成功和病变程度归纳。
信息披露
目前地址Immo韦伯是神经学部门,大学医院吉森和马尔堡,德国马尔堡。
的利益冲突
作者宣称没有利益冲突。
确认
作者要感谢他们的门将耶尔达Brusch照顾动物和援助的行为测试。作者感谢Reiner教授贝奈克为他鼓励支持和提供的设施实验和教授安德里亚斯Wree和卡尔·诺瓦克曾帮助建立手术和慢性仪器设置。作者感谢罗伯特·阿恩特博士(Ruckmann &阿恩特,柏林,德国)和Steinbeis-Zentrum STZ 1050(德国罗斯托克)富有成果的合作发展的刺激器系统。作者非常感谢Eilhard博士把他的帮助在设计动物实验。他是一个持续的指导来源凯瑟琳Badstuebner整个研究。作者后悔,他没有一个coauthorship退休后因个人原因。德国研究基金会(DFG研究培训集团1505/1 2“welisa”)资助的奖学金,凯瑟琳Badstuebner以及小型实验设备和耗材。