JoVE Journal > Bioengineering
Summary
Abstract
Introduction
Protocol
Resultados
Discussion
Divulgaciones
Acknowledgements
Materials
Referencias
Traducción Automática
Please note that all translations are automatically generated. Click here for the English version.
Bioingeniería

ארגז כלים לתכנון שתלים עצביים עבור פרימטים לא אנושיים

Published: February 09, 2024
doi:
10.3791/66167
, , , , ,
1Department of Bioengineering, Washington National Primate Research Center,University of Washington, 2Department of Electrical and Computer Engineering, Washington National Primate Research Center,University of Washington, 3Department of Biomedical Engineering,Purdue University

Summary

מאמר זה מתאר תהליכים אוטומטיים לתכנון נוירוכירורגי של פרימטים לא אנושיים בהתבסס על סריקות דימות תהודה מגנטית (MRI). טכניקות אלה משתמשות בשלבים פרוצדורליים בפלטפורמות תכנות ועיצוב כדי לתמוך בתכנון שתלים מותאם אישית עבור NHPs. לאחר מכן ניתן לאשר את תוקפו של כל רכיב באמצעות מודלים אנטומיים תלת-ממדיים (תלת-ממדיים) מודפסים בגודל טבעי.

Abstract

מאמר זה מתאר שיטה פנימית של מידול תלת-ממדי של המוח והגולגולת באמצעות דימות תהודה מגנטית (MRI) המותאם לתכנון נוירוכירורגי של פרימטים לא אנושיים (NHP). טכניקה אוטומטית וחישובית מבוססת תוכנה זו מספקת דרך יעילה לחילוץ תכונות המוח והגולגולת מקבצי MRI, בניגוד לטכניקות חילוץ ידניות מסורתיות המשתמשות בתוכנת הדמיה. יתר על כן, ההליך מספק שיטה לדמיין את המוח ואת הגולגולת craniotomized יחד לתכנון כירורגי וירטואלי אינטואיטיבי. זה יוצר הפחתה דרסטית בזמן ובמשאבים מאלה שנדרשו על ידי עבודות קודמות, שהסתמכו על הדפסה תלת ממדית איטרטיבית. תהליך מידול הגולגולת יוצר טביעת רגל המיוצאת לתוכנת מידול לעיצוב תאי גולגולת מותאמים אישית ועמודי ראש להשתלה כירורגית. שתלים כירורגיים בהתאמה אישית ממזערים רווחים בין השתל לגולגולת שעלולים לגרום לסיבוכים, כולל זיהום או ירידה ביציבות. על ידי יישום צעדים טרום ניתוחיים אלה, סיבוכים כירורגיים וניסיוניים מופחתים. טכניקות אלה יכולות להיות מותאמות לתהליכים כירורגיים אחרים, מה שמקל על תכנון ניסויי יעיל ויעיל יותר עבור חוקרים, ופוטנציאלית, נוירוכירורגים.

Introduction

פרימטים לא אנושיים (NHPs) הם מודלים יקרי ערך למחקר רפואי תרגומי מכיוון שהם דומים מבחינה אבולוציונית והתנהגותית לבני אדם. NHPs זכו לחשיבות מיוחדת במחקרים פרה-קליניים של הנדסה עצבית מכיוון שהמוחות שלהם הם מודלים רלוונטיים ביותר של תפקוד עצבי ותפקוד לקוי1,2,3,4,5,6,7,8. כמה טכניקות חזקות לגירוי מוחי והקלטה, כגון אופטוגנטיקה, דימות סידן ואחרות, מוגשות בצורה הטובה ביותר עם גישה ישירה למוח דרך חלונות גולגולת9,10,11,12,13,14,15,16,17,18,19,20,21,22,23. ב- NHPs, חלונות גולגולת מושגים לעתים קרובות עם תא ודורה מלאכותית כדי להגן על המוח ולתמוך בניסויים ארוכי טווח8,10,12,17,18,24,25,26,27. כמו כן, עמודי ראש מלווים לעתים קרובות תאים כדי לייצב וליישר את הראש במהלך ניסויים14,15,25,26,28,29,30. האפקטיביות של רכיבים אלה תלויה במידה רבה עד כמה הם מתאימים לגולגולת. התאמה קרובה יותר לגולגולת מקדמת את שילוב העצם ואת בריאות הגולגולת על ידי הפחתת הסבירות לזיהום, אוסטאונקרוזיס וחוסר יציבות השתל31. שיטות תכנון קונבנציונליות, כגון כיפוף ידני של עמוד הראש במהלך הניתוח25,29 והערכת עקמומיות הגולגולת על ידי התאמת עיגולים לפרוסות קורונליות וסגיטליות של סריקות תהודה מגנטית (MR)9,12 יכול להציג סיבוכים עקב חוסר דיוק. אפילו המדויקים שבהם יוצרים מרווחים של 1-2 מ”מ בין השתל לגולגולת, ומספקים מקום לרקמת הגרגיר להצטבר29. פערים אלה יוצרים גם קושי בהצבת ברגים בניתוח9פגיעה ביציבות השתל., לאחרונה פותחו שתלים מותאמים אישית לשיפור תוחלת החיים של אוסאואינטגרציה ואריכות ימים של השתלים9,29,30,32. עלויות נוספות ליוו את ההתקדמות בתכנון שתלים מותאמים אישית בגלל ההסתמכות על מודלים חישוביים. השיטות המדויקות ביותר דורשות ציוד מתוחכם כגון מכונות טומוגרפיה ממוחשבת (CT) בנוסף למכשירי דימות MR (MRI)30,32,33 ואפילו מכונות כרסום בקרה נומרית ממוחשבת (CNC) לפיתוח אבי טיפוס של שתלים25,29,32,34. קבלת גישה הן ל- MRI והן ל- CT, במיוחד לשימוש עם NHPs, עשויה שלא להיות ישימה עבור מעבדות הזקוקות לשתלים מותאמים אישית כמו תאי גולגולת ועמודי ראש.

כתוצאה מכך, יש צורך בקהילה בטכניקות זולות, מדויקות ולא פולשניות של תכנון נוירוכירורגי וניסויי המאפשרות תכנון ותיקוף של שתלים לפני השימוש. מאמר זה מתאר שיטה ליצירת ייצוגים וירטואליים תלת-ממדיים של המוח והגולגולת מנתוני MR לצורך תכנון מיקום קרניוטומיה ועיצוב תאי גולגולת מותאמים אישית ועמודי ראש המתאימים לגולגולת. הליך יעיל זה מספק תכנון סטנדרטי שיכול להועיל לתוצאות הניסויים ולרווחת חיות המחקר. רק MRI נדרש עבור מודלים אלה כי הן עצם ורקמות רכות מתוארים ב- MRI. במקום להשתמש במכונת כרסום CNC, ניתן להדפיס מודלים בתלת-ממד בזול, גם כאשר נדרשות חזרות מרובות. זה גם מאפשר לעיצוב הסופי להיות מודפס בתלת-ממד במתכות תואמות ביולוגית כגון טיטניום להשתלה. בנוסף, אנו מתארים ייצור של דורה מלאכותית, אשר ממוקמת בתוך חדר הגולגולת עם ההשתלה. ניתן לאמת רכיבים אלה לפני ניתוח על ידי התאמת כל החלקים למודל בגודל טבעי, מודפס בתלת-ממד של הגולגולת והמוח.

Protocol

כל ההליכים הנוגעים לבעלי חיים אושרו על ידי הוועדה לטיפול ושימוש בבעלי חיים באוניברסיטת וושינגטון. במחקר זה נעשה שימוש בסך הכל בארבעה קופי מקוק רזוס זכרים בוגרים (Macaca mulatta). בעת רכישת MRI, קוף H היה בן 7, קוף L היה בן 6, קוף C היה בן 8.5 שנים וקוף B היה בן 5.5 שנים. קופים H ו-L הושתלו בחדרים כרוניים מו…

Representative Results

רכיבים אלה אומתו בעבר באמצעות שילוב של הדמיות MRI ומודלים אנטומיים מודפסים בתלת-ממד. על-ידי השוואת הדמיית הקרניוטומיה האוטומטית לקרניוטומיה המודפסת בתלת-ממד ול-MRI במיקום הקרניוטומיה, ברור שייצוג הקרניוטומיה הווירטואלי משקף במדויק את האזור במוח שניתן לגשת אליו עם מיקום ה?…

Discussion

מאמר זה מתאר שיטה פשוטה ומדויקת לתכנון נוירוכירורגי שלא רק מועילה לפיתוח רכיבים המשמשים להשתלת חלון גולגולתי NHP, אלא גם ניתנת להעברה לתחומים אחרים של מחקר NHP במדעי המוח 13,15,25. בהשוואה לשיטות עכשוויות אחרות של תכנון ועיצוב שתל NHP 25,29,30, להליך…

Divulgaciones

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

ברצוננו להודות לטוני הון, קית’ ווגל ושון פישר על עזרתם הטכנית ותמיכתם. עבודה זו נתמכה על ידי קרן מרי גייטס של אוניברסיטת וושינגטון (R.I.), המכון הלאומי לבריאות NIH 5R01NS116464 (T.B., A.Y.), NIH R01 NS119395 (D.J.G., A.Y), המרכז הלאומי לחקר פרימטים בוושינגטון (WaNPRC, NIH P51 OD010425, U42 OD011123), המרכז לנוירוטכנולוגיה (EEC-1028725, Z.A., D.J.G.) ו-Weill Neurohub (Z. I).

Materials

3D Printing Software (Simplify 3D) (Paid) Simplify3D Version 4.1 Used for 3D printing using MakerGear printer
C-Clamp Bessey CM22 Used for artificial dura fabrication, 2-1/2 Inch Capacity, 1-3/8 Inch Throat
Formlabs Form 3+ 3D Printer Formlabs Form 3+ Used for precise 3D printing
MakerGear M2 3D Printer MakerGear M2 revG Used for 3D printing implant prototypes
MATLAB (Paid) MathWorks R2021b Used for brain and skull isolation, virtual craniotomy visualization and skull STL reduction
Phillips Acheiva MRI System Philips 4522 991 19391 Used for non-human primate imaging
Photopolymer Resin Formlabs FLGPGR04 1L, Grey, used for precise 3D prints with Formlabs printer 
PreForm Print Preparation Software Formlabs Version 2.17.0 Used for 3D printing with Formlabs printer 
Printing Filament (PLA) MatterHackers 88331 PLA 1.75 mm White. Used for 3D printing with MakerGear printer
Silicone CAT-1300 Shin-Etsu Used for artificial dura fabrication
Silicone KE1300-T Shin-Etsu Used for artificial dura fabrication
SolidWorks (Paid) Dassault Systems 2020 Used for chamber and headpost design
Syn.Flex-S Multicoil Philips 45221318123 Used for non-human primate imaging
DOWNLOAD MATERIALS LIST

Referencias

  1. Mitchell, A. S., et al. Continued need for nonhuman primate neuroscience research. Current Biology. 28 (20), R1186-R1187 (2018).
  2. Stanis, N., Khateeb, K., Zhou, J., Wang, R. K., Yazdan-Shahmorad, A. Protocol to study ischemic stroke by photothrombotic lesioning in the cortex of nonhuman primates. STAR Protocols. 4 (3), 102496 (2023).
  3. Tremblay, S., et al. An open resource for nonhuman primate optogenetics. Neuron. 108 (6), 1075-1090 (2020).
  4. Zhou, J., et al. Neuroprotective effects of electrical stimulation following ischemic stroke in nonhuman primates. 2022 44th Annual International Conference of the IEEE Engineering in Medicine & Biology Society (EMBC). 2022, 3085-3088 (2022).
  5. Yao, Z., Yazdan-Shahmorad, A. A quantitative model for estimating the scale of photochemically induced ischemic stroke. 2018 40th Annual International Conference of the IEEE Engineering in Medicine and Biology Society (EMBC). 2018, 2744-2747 (2018).
  6. Yazdan-Shahmorad, A., Silversmith, D. B., Kharazia, V., Sabes, P. N. Targeted cortical reorganization using optogenetics in nonhuman primates. eLife. 7, e31034 (2018).
  7. Macknik, S. L., et al. Advanced circuit and cellular imaging methods in nonhuman primates. The Journal of Neuroscience. 39 (42), 8267-8274 (2019).
  8. Griggs, D. J., Belloir, T., Yazdan-Shahmorad, A. Large-scale neural interfaces for optogenetic actuators and sensors in non-human primates. SPIE BiOS. , (2021).
  9. Yazdan-Shahmorad, A., et al. A Large-scale interface for optogenetic stimulation and recording in nonhuman primates. Neuron. 89 (5), 927-939 (2016).
  10. Ruiz, O., et al. Optogenetics through windows on the brain in the nonhuman primate. Journal of Neurophysiology. 110 (6), 1455-1467 (2013).
  11. Griggs, D. J., Khateeb, K., Philips, S., Chan, J. W., Ojemann, W., Yazdan-Shahmorad, A. Optimized large-scale optogenetic interface for nonhuman primates. SPIE BiOS. , (2019).
  12. Yazdan-Shahmorad, A., Diaz-Botia, C., Hanson, T., Ledochowitsch, P., Maharabiz, M. M., Sabes, P. N. Demonstration of a setup for chronic optogenetic stimulation and recording across cortical areas in non-human primates. SPIE BiOS. , (2015).
  13. Bollimunta, A., et al. Head-mounted microendoscopic calcium imaging in dorsal premotor cortex of behaving rhesus macaque. Cell Reports. 35 (11), 109239 (2021).
  14. Hacking, S. A., et al. Surface roughness enhances the osseointegration of titanium headposts in nonhuman primates. Journal of Neuroscience Methods. 211 (2), 237-244 (2012).
  15. Romero, M. C., Davare, M., Armendariz, M., Janssen, P. Neural effects of transcranial magnetic stimulation at the single-cell level. Nature Communications. 10 (1), 2642 (2019).
  16. Khateeb, K., et al. A versatile toolbox for studying cortical physiology in primates. Cell Reports Methods. 2 (3), 100183 (2022).
  17. Griggs, D. J., Khateeb, K., Zhou, J., Liu, T., Wang, R., Yazdan-Shahmorad, A. Multi-modal artificial dura for simultaneous large-scale optical access and large-scale electrophysiology in nonhuman primate cortex. Journal of Neural Engineering. 18 (5), 055006 (2021).
  18. Belloir, T., et al. Large-scale multimodal surface neural interfaces for primates. iScience. 26 (1), 105866 (2023).
  19. Khateeb, K., et al. A practical method for creating targeted focal ischemic stroke in the cortex of nonhuman primates. 2019 41st Annual International Conference of the IEEE Engineering in Medicine and Biology Society (EMBC). , 3515-3518 (2019).
  20. Griggs, D., Belloir, T., Zhou, J., Yazdan-Shahmorad, A. Convection Enhanced Delivery of Viral Vectors. Vectorology for Optogenetics and Chemogenetics. , (2023).
  21. Khateeb, K., Griggs, D. J., Sabes, P. N., Yazdan-Shahmorad, A. Convection enhanced delivery of optogenetic adeno-associated viral vector to the cortex of Rhesus Macaque under guidance of online MRI images. Journal of Visualized Experiments. (147), e59232 (2019).
  22. Yazdan-Shahmorad, A., et al. Widespread optogenetic expression in macaque cortex obtained with MR-guided, convection enhanced delivery (CED) of AAV vector to the thalamus. Journal of Neuroscience Methods. 293, 347-358 (2018).
  23. Griggs, D. J., et al. Improving the efficacy and accessibility of intracranial viral vector delivery in nonhuman primates. Pharmaceutics. 14 (7), 1435 (2022).
  24. Chen, L. M., Heider, B., Williams, G. V., Healy, F. L., Ramsden, B. M., Roe, A. W. A chamber and artificial dura method for long-term optical imaging in the monkey. Journal of Neuroscience Methods. 113 (1), 41-49 (2002).
  25. Adams, D. L., Economides, J. R., Jocson, C. M., Horton, J. C. A Biocompatible titanium headpost for stabilizing behaving monkeys. Journal of Neurophysiology. 98 (2), 993-1001 (2007).
  26. Bloch, J., Greaves-Tunnell, A., Shea-Brown, E., Harchaoui, Z., Shojaie, A., Yazdan-Shahmorad, A. Network structure mediates functional reorganization induced by optogenetic stimulation of nonhuman primate sensorimotor cortex. iScience. 25 (5), 104285 (2022).
  27. Bloch, J. A., Khateeb, K., Silversmith, D. B., O’Doherty, J. E., Sabes, P. N., Yazdan-Shahmorad, A. Cortical stimulation induces network-wide coherence change in nonhuman primate somatosensory cortex. 2019 41st Annual International Conference of the IEEE Engineering in Medicine and Biology Society (EMBC). , 6446-6449 (2019).
  28. Vnek, N., Ramsden, B. M., Hung, C. P., Goldman-Rakic, P. S., Roe, A. W. Optical imaging of functional domains in the cortex of the awake and behaving monkey. Proceedings of the National Academy of Sciences. 96 (7), 4057-4060 (1999).
  29. Psarou, E., et al. Modular, cement-free, customized headpost and connector-chamber implants for macaques. Journal of Neuroscience Methods. 393, 109899 (2023).
  30. Chen, X., Possel, J. K., Wacongne, C., van Ham, A. F., Klink, P. C., Roelfsema, P. R. 3D printing and modelling of customized implants and surgical guides for nonhuman primates. Journal of Neuroscience Methods. 286, 38-55 (2017).
  31. Prescott, M. J., Poirier, C. The role of MRI in applying the 3Rs to nonhuman primate neuroscience. NeuroImage. 225, 117521 (2021).
  32. Basso, M. A., et al. Using non-invasive neuroimaging to enhance the care, well-being and experimental outcomes of laboratory nonhuman primates (monkeys). NeuroImage. 228, 117667 (2021).
  33. Ahmed, Z., Agha, N., Trunk, A., Berger, M., Gail, A. Universal guide for skull extraction and custom-fitting of implants to continuous and discontinuous skulls. eNeuro. 9 (3), (2022).
  34. Blonde, J. D., et al. Customizable cap implants for neurophysiological experimentation. Journal of Neuroscience Methods. 304, 103-117 (2018).
  35. Ojemann, W. K. S., et al. A MRI-based toolbox for neurosurgical planning in nonhuman primates. Journal of Visualized Experiments. (161), e61098 (2020).
  36. Make STL of 3D array (Optimal for 3D printing). MathWorks Available from: https://www.mathworks.com/matlabcentral/fileexchange/68794-make-stl-of-3d-array-optimal-for-3d-printing (2018)
  37. . stlwrite – Write binary or ascii STL file Available from: https://www.mathworks.com/matlabcentral/fileexchange/36770-stlwrite-write-binary-or-ascii-stl-file (2023)
  38. Michikawa, T., Suzuki, H., Moriguchi, M., Ogihara, N., Kondo, O., Kobayashi, Y. Automatic extraction of endocranial surfaces from CT images of crania. PLoS One. 12 (4), 0168516 (2017).
  39. Overton, J. A., Cooke, D. F., Goldring, A. B., Lucero, S. A., Weatherford, C., Recanzone, G. H. Improved methods for acrylic-free implants in nonhuman primates for neuroscience research. Journal of Neurophysiology. 118 (6), 3252-3270 (2017).
  40. Ortiz-Rios, M., et al. Improved methods for MRI-compatible implants in nonhuman primates. Journal of Neuroscience Methods. 308, 377-389 (2018).

Tags

Neural ImplantBrain ModelingSkull ModelingNonhuman PrimatesNeurosurgical Planning3D Modeling3D PrintingCustom ImplantsCranial ChambersHead PostsMagnetic Resonance ImagingComputational SoftwareSurgical Complications

Play Video
PDF
DOI
DOWNLOAD MATERIALS LIST
Citar este artículo
Iritani, R., Belloir, T., Griggs, D. J., Ip, Z., Anderson, Z., Yazdan-Shahmorad, A. A Neural Implant Design Toolbox for Nonhuman Primates. J. Vis. Exp. (204), e66167, doi:10.3791/66167 (2024).
Descargar cita
Reimpresiones y permisos

View Video

✖

To prove you're not a robot, please enter the text in the image below

CAPTCHA Image
Play CAPTCHA Audio
Refresh Image