Kirurgisk träning för Implantation av hjärnbarkens mikroelektrod matriser använder en modell med formaldehyd-fast mänskliga Cadaver
Summary
Vi utformade ett förfarande där en formaldehyd-fast mänskliga cadaver används för att bistå neurokirurger utbildning för implantation av mikroelektrod matriser i hjärnbarken i den mänskliga hjärnan.
Abstract
Det här protokollet beskriver en procedur för att hjälpa kirurger under utbildning för implantation av mikroelektrod matriser i hjärnbarken i den mänskliga hjärnan. Senaste tekniska framsteg har gjort tillverkning av mikroelektrod matriser som tillåter inspelning aktiviteten av flera enskilda nervceller i hjärnbarken i den mänskliga hjärnan. Dessa matriser har potential att få unik insikt på de neuronala korrelat till cerebral funktion vid hälsa och sjukdom. Dessutom identifiering och avkodning av viljande neuronal aktivitet öppnar möjligheten att upprätta hjärna-dator gränssnitt, och därmed kan bidra till att återställa förlorade neurologiska funktioner. Implantation av hjärnbarkens mikroelektrod arrayer är en invasiv förfarande som kräver en supra-centimetric kraniotomi och exponeringen av kortikala ytan; förfarandet måste således utföras av en adekvat utbildad neurokirurg. För att ge en möjlighet för kirurgisk träning har utformat vi ett förfarande baserat på en human cadaver modell. Användning av en formaldehyd-fast mänskliga cadaver kringgår de praktiska, etiska och ekonomiska svårigheterna av kirurgisk praxis på djur (särskilt icke-mänskliga primater) medan bevara makroskopisk struktur av huvud, skalle, hjärnhinnor och cerebral yta och gör att realistiska, operationssalen-liknande positionering och instrumentation. Dessutom är användningen av en mänsklig cadaver närmare klinisk daglig praxis än någon icke-mänskliga modell. De stora nackdelarna med den avlidna simuleringen är avsaknaden av cerebral pulsering och blod-och cerebrospinalvätska. Vi föreslår att formaldehyd-fast mänskliga cadaver modell är ett adekvat, praktiska och kostnadseffektiva tillvägagångssätt att säkerställa lämplig kirurgisk utbildning innan implantera mikroelektrod matriser i levande mänskliga hjärnbarken.
Introduction
Senaste åren har sett utvecklingen av tekniska lösningar på utmaningen att registrera aktiviteten av flera enskilda nervceller i levande hjärnan1,2,3. Kiselbaserade mikroelektrod matriser utför samma sätt att konventionella tråd mikroelektroder i termer av egenskaper signal, och de kan spela in från tiotals till hundratals nervceller i en liten lapp av cerebral vävnad4,5, 6 , 7. mikroelektrod matriser har låtit forskarna att upprätta korrespondensen mellan neural aktivitet i primära motoriska cortex av apor och arm rörelser8, som i sin tur har lämnat ett uppsving för utvecklingen av hjärna-dator gränssnitt (BCIs)9.
Mikroelektrod matriser har använts i människor i två situationer: som kronisk implantat styra BCIs och subkronisk implantat att studera aktiviteten av enskilda nervceller hos patienter som lider av epilepsi. Kronisk implantat, inriktning funktionella framställningen av handen i primära motoriska cortex, låtit patienter med tetraplegi till förflyttningar av en robotarm eller dator markörer10,11,12 ,13. Subkronisk implantat, infogas tillsammans med subdural electrocorticography (ECOG) elektroderna hos patienter med läkemedelsresistent epilepsi som är kandidater för epilepsi kirurgi14, tillåta enstaka inspelningar före, under och efter anfall, och har börjat belysa aktiviteten av enstaka nervceller under och mellan epileptiska anfall15,16,17,18,19. Mikroelektrod matriser har potential att avsevärt förbättra vår förståelse för hur hjärnan fungerar genom att upprätta en länk mellan aktiviteten hos nervceller, dels, och uppfattningar, rörelser och tankar av människor, såväl i hälsa sjukdom, på andra20,21.
Kiselbaserade mikroelektrod matriser finns nu kommersiellt och deras användning på människa har godkänts av tillsynsmyndigheterna i USA i indikationen subkronisk epilepsi. Men dessa enheter är invasiva och måste sättas in i hjärnan. De negativa konsekvenserna av felaktig isättning teknik, utöver fel på enheten för att spela in neuronal aktivitet, inkluderar hjärnblödning och infektion, med potential för långvarig eller permanent neurologisk dysfunktion. Även om andelen komplikation av mikroelektrod array implantation är för närvarande okänd, är potentiellt allvarliga komplikationer under implantation av intrakraniell elektroencefalografi (EEG) macroelectrodes 1-5%22, 23. korrekt implantation av mikroelektrod matriser kräver därför både omfattande Neurokirurgiska kompetens och procedur-specifika utbildning.
Metoderna som är tillgängliga för kirurger att finslipa sina färdigheter med mikroelektrod matriser i en trygg miljö inkluderar icke-mänskliga däggdjur och mänskliga kadaver. Den idealiska utbildningsmodell skulle återge storlek och tjocklek av mänsklig skalle; den seghet och vaskulär förgrening av dura; gyrification mönster, konsekvens och pulsering av den mänskliga hjärnan; förekomsten av cirkulerande blod och cerebrospinalvätska; och övergripande placeringen av motivet i ett operationsrum (OR)-liknande miljö. Således, djurmodeller måste vara av en tillräcklig storlek för att ge en meningsfull upplevelse till kirurger. Stora icke-mänskliga primater kommit närmast, men deras användning för kirurgisk träning är ohållbar både ur etiskt perspektiv och eftersom de är dyra. Gnagare anger inte ersättning på grund av deras ringa storlek; använder även katter eller kaniner innebär avvika betydligt från en OR-liknande miljö.
Mänskliga kadaver utgör ett attraktivt alternativ. Deras fördelar är liv-liknande storleken och formen på huvudet och hjärnan och möjligheten att ställa in kirurgisk träning i OR-liknande miljö. De mest uppenbara avgångar från en realistisk situation är avsaknad av cerebral pulsationer och blödning och ändringarna i den aspekten och konsistens av kroppens vävnader som är specifika för den teknik som används för cadaver bevarande24. Färskfryst kadaver bevara enhetlighet och flexibiliteten i många organ och vävnader i viss utsträckning, men de har flera nackdelar: de börjar förnedrande så snart upptining börjar, så att hjärnan blir också förstörd för införande av en mikroelektrod array utföras realistiskt, och de är relativt sällsynta och dyra resurser. Formaldehyd-fasta kadaver, däremot, är mer överkomliga och tillgängliga och mycket mer hållbara, på bekostnad av härdade vävnad konsistens.
Här, fastställa vi ett förfarande som använder en modell som formaldehyd-fast mänskliga cadaver Neurokirurgiska utbildning för implantation av en hjärnbarkens mikroelektrod array. Vår strategi tillåter realistiska, OR-liknande positionering och instrumentation; utföra kraniotomi och durotomy och utsätta hjärnbarkens ytan; fästa elektrod sockeln till skallbenet angränsande kraniotomi; och infoga mikroelektrod matrisen i hjärnbarken med en pneumatisk Slaganordningen25. Kritiskt, det gör att kirurger att öva precisa anpassningen av mikroelektrod matrisen (som kopplas till elektroden piedestal med en bunt av individuellt isolerade guld trådar) parallellt med den hjärnbarkens yta26. Våra protokoll replikerar troget indikeringen av mikroelektrod array implantation tillsammans med ECOG implanteras i patienter som är kandidater för epilepsi kirurgi. Uppgifter om implantation kirurgi påverkas avsevärt av den exakta typen av mikroelektrod vektorn; Här beskriver vi proceduren för en matris som nyligen fått godkännande för användning i människor i USA. Så kallade Utah matrisen består av en 4 x 4 mm, 100 mikroelektrod rutnät. en transkutan piedestal som är kopplad till den externa tabellen av skallen; och en tråd bunt ansluta två.
Protocol
Representative Results
Discussion
Formaldehyd-fast mänskliga cadaver modellen och det kirurgiska protokollet som beskrivs här replikera det kirurgiska ingreppet att implantera mikroelektrod matriser i den mänskliga hjärnans neocortex. Varje steg i förfarandet, inbegripet placeringen av mikroelektrod matrisen och dess införande med den pneumatiska Insertion, fortsätt på nästan samma sätt som i en verklig patient, med undantag att cerebral pulsering och cirkulationen är frånvarande. De kritiska steg i protokollet är anpassningen av mikroelektr…
Divulgations
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Författarna är tacksamma att Dr Rob Franklin (Blackrock Microsystems), Prof. Margitta Seeck (avdelningen för neurologi, universitetssjukhusen i Genève, Genève, Schweiz), Dr Andrea Bartoli och Prof. Karl Schaller (avdelningen för neurokirurgi, Genève universitet Sjukhus, Geneve, Schweiz), och Mr Florent Burdin och Prof. John P. Donoghue (Wyss Center för Bio och Neuroengineering, Genève) för deras stöd förbereda närvarande arbete.
Materials
| Mayfield skull clamp | Integra LifeSciences, Cincinnati, OH | A1059 | |
| Midas Rex MR7 system for craniotomy | Medtronic, Minneapolis, MN | EC300 | |
| Dura scissors | Sklar Surgical Instruments, West Chester, PA | 22-2742 | |
| Self-tapping bone screws | OrthoMed Inc., Tigard, OR | OM SYN211806 | |
| Microelectrode array and pedestal | Blackrock Microsystems, Salt Lake City, UT | LB-0612 | Mock-up arrays are available from the manufacturer upon request |
| Pneumatic impacter | Blackrock Microsystems, Salt Lake City, UT | LB-0088 | |
| 64-channel electrocorticography grid | Ad-Tech Medical Instrument Corporation, Racine, WI | FG64C-SP10X-0C6 | Optional |
References
- Campbell, P. K., Jones, K. E., Huber, R. J., Horch, K. W., Normann, R. A. A silicon-based, 3-dimensional neural interface – manufacturing processes for an intracortical electrode array. IEEE Trans. Biomed. Eng. 38 (8), 758-768 (1991).
- Jones, K. E., Campbell, P. K., Normann, R. A. A glass/silicon composite intracortical electrode array. Ann. Biomed. Eng. 20 (4), 423-427 (1992).
- Maynard, E. M., Nordhausen, C. T., Normann, R. A. The Utah Intracortical Electrode Array: A recording structure for potential brain-computer interfaces. Electroencephalogr. Clin. Neurophysiol. 102 (3), 228-239 (1997).
- Csicsvari, J., et al. Massively parallel recording of unit and local field potentials with silicon-based electrodes. J. Neurophysiol. 90 (2), 1314-1314 (2003).
- Kelly, R. C., et al. Comparison of recordings from microelectrode arrays and single electrodes in the visual cortex. J. Neurosci. 27 (2), 261-264 (2007).
- Nordhausen, C. T., Maynard, E. M., Normann, R. A. Single unit recording capabilities of a 100 microelectrode array. Brain Res. 726 (1-2), 129-140 (1996).
- Nordhausen, C. T., Rousche, P. J., Normann, R. A. Optimizing recording capabilities of the Utah Intracortical Electrode Array. Brain Res. 637 (1-2), 27-36 (1994).
- Maynard, E. M., et al. Neuronal interactions improve cortical population coding of movement direction. J. Neurosci. 19 (18), 8083-8093 (1999).
- Serruya, M. D., Hatsopoulos, N. G., Paninski, L., Fellows, M. R., Donoghue, J. P. Instant neural control of a movement signal. Nature. 416 (6877), 141-142 (2002).
- Hochberg, L. R., et al. Neuronal ensemble control of prosthetic devices by a human with tetraplegia. Nature. 442 (7099), 164-171 (2006).
- Hochberg, L. R., et al. Reach and grasp by people with tetraplegia using a neurally controlled robotic arm. Nature. 485 (7398), 372 (2012).
- Simeral, J. D., Kim, S. P., Black, M. J., Donoghue, J. P., Hochberg, L. R. Neural control of cursor trajectory and click by a human with tetraplegia 1000 days after implant of an intracortical microelectrode array. J. Neural Eng. 8 (2), 25027 (2011).
- Jarosiewicz, B., et al. Virtual typing by people with tetraplegia using a self-calibrating intracortical brain-computer interface. Sci. Transl. Med. 7 (313), 313ra179 (2015).
- Seeck, M., Schomer, D. L., Niedermeyer, E. Intracranial Monitoring: Depth, Subdural, and Foramen Ovale Electrodes. Niedermeyer’s Electroencephalogr. , 677-714 (2011).
- Truccolo, W., et al. Single-neuron dynamics in human focal epilepsy. Nat. Neurosci. 14 (5), 635-641 (2011).
- Truccolo, W., et al. Neuronal ensemble synchrony during human focal seizures. J. Neurosci. 34 (30), 9927 (2014).
- Keller, C. J., et al. Heterogeneous neuronal firing patterns during interictal epileptiform discharges in the human cortex. Brain. 133 (Pt 6), 1668-1681 (2010).
- Schevon, C. A., et al. Evidence of an inhibitory restraint of seizure activity in humans. Nat. Commun. 3, 1060 (2012).
- Weiss, S. A., et al. Ictal high frequency oscillations distinguish two types of seizure territories in humans. Brain. 136 (Pt 12), 3796-3808 (2013).
- Cash, S. S., Hochberg, L. R. The Emergence of Single Neurons in Clinical Neurology. Neuron. 86 (1), 79-91 (2015).
- Donoghue, J. P. Bridging the brain to the world: a perspective on neural interface systems. Neuron. 60 (3), 511-521 (2008).
- Hader, W. J., et al. Complications of epilepsy surgery – A systematic review of focal surgical resections and invasive EEG monitoring. Epilepsia. 54 (5), 840-847 (2013).
- Arya, R., Mangano, F. T., Horn, P. S., Holland, K. D., Rose, D. F., Glauser, T. A. Adverse events related to extraoperative invasive EEG monitoring with subdural grid electrodes: A systematic review and meta-analysis. Epilepsia. 54 (5), 828-839 (2013).
- Hayashi, S., et al. History and future of human cadaver preservation for surgical training: from formalin to saturated salt solution method. Anat. Sci. Int. 91 (1), 1-7 (2016).
- Rousche, P. J., Normann, R. A. A method for pneumatically inserting an array of penetrating electrodes into cortical tissue. Ann. Biomed. Eng. 20 (4), 413-422 (1992).
- Waziri, A., Schevon, C. A., Cappell, J., Emerson, R. G., McKhann, G. M., Goodman, R. R. Initial surgical experience with a dense cortical microarray in epileptic patients undergoing craniotomy for subdural electrode implantation. Neurosurgery. 64 (3), 540-545 (2009).
- Yousry, T. A., et al. Localization of the motor hand area to a knob on the precentral gyrus. A new landmark. Brain. 120 (1), 141-157 (1997).
- Tóth, E., Fabó, D., Entz, L., Ulbert, I., Erőss, L. Intracranial neuronal ensemble recordings and analysis in epilepsy. J. Neurosci. Methods. 260, 261-269 (2016).
- Cash, S. S., et al. The human K-complex represents an isolated cortical down-state. Science. 324 (5930), 1084-1087 (2009).
- Olabe, J., Olabe, J., Sancho, V. Human cadaver brain infusion model for neurosurgical training. Surg. Neurol. 72 (6), 700-702 (2009).
- Winer, J. L., et al. Cerebrospinal fluid reconstitution via a perfusion-based cadaveric model: feasibility study demonstrating surgical simulation of neuroendoscopic procedures. J. Neurosurg. 123 (5), 1316-1321 (2015).
- Cardali, S., et al. Microsurgical Anatomic Features of the Olfactory Nerve: Relevance to Olfaction Preservation in the Pterional Approach. Oper. Neurosurg. 57, 17-21 (2005).
- Alvernia, J. E., Pradilla, G., Mertens, P., Lanzino, G., Tamargo, R. J. Latex injection of cadaver heads: technical note. Neurosurgery. 67 (2 Suppl Operative), 362-367 (2010).
- Chowdhury, F. H., et al. Endoscopic endonasal transsphenoidal exposure of circle of Willis (CW); can it be applied in vascular neurosurgery in the near future? A cadaveric study of 26 cases. Turk. Neurosurg. 22 (1), 68-76 (2012).
- Benet, A., Rincon-Torroella, J., Lawton, M. T., González Sánchez, J. J. Novel embalming solution for neurosurgical simulation in cadavers. J. Neurosurg. 120 (5), 1229-1237 (2014).
- Tomlinson, J. E., Yiasemidou, M., Watts, A. L., Roberts, D. J. H., Timothy, J. Cadaveric Spinal Surgery Simulation: A Comparison of Cadaver Types. Glob. spine J. 6 (4), 357-361 (2016).
- Krishnamurthy, S., Powers, S. K. The use of fabric softener in neurosurgical prosections. Neurosurgery. 36 (2), 420-3-4at (1995).
- Hamlyn, P. J. Neurovascular relationships in the posterior cranial fossa, with special reference to trigeminal neuralgia. 1. Review of the literature and development of a new method of vascular injection-filling in cadaveric controls. Clin. Anat. 10 (6), 371-379 (1997).
- Tubbs, R. S., Loukas, M., Shoja, M. M., Wellons, J. C., Cohen-Gadol, A. A. Feasibility of ventricular expansion postmortem: a novel laboratory model for neurosurgical training that simulates intraventricular endoscopic surgery. J. Neurosurg. 111 (6), 1165-1167 (2009).
- Aktas, U., Yilmazlar, S., Ugras, N. Anatomical restrictions in the transsphenoidal, transclival approach to the upper clival region: a cadaveric, anatomic study. J. Craniomaxillofac. Surg. 41 (6), 457-467 (2013).
- Yiasemidou, M., Roberts, D., Glassman, D., Tomlinson, J., Biyani, S., Miskovic, D. A Multispecialty Evaluation of Thiel Cadavers for Surgical Training. World J. Surg. , (2017).
- Ploch, C. C., Mansi, C. S. S. A., Jayamohan, J., Kuhl, E. Using 3D Printing to Create Personalized Brain Models for Neurosurgical Training and Preoperative Planning. World Neurosurg. 90, 668-674 (2016).
- Del Castillo-Calcáneo, J., Donoghue, J. A. A Novel Method for 3-Dimensional Printing a Brain That Feels and Looks Like One: The Next Step in the Search of the Perfect Neurosurgical Simulator. World Neurosurg. 91, 620-622 (2016).
- Martin, S., Millán, J. D. R., Knight, R. T., Pasley, B. N. The use of intracranial recordings to decode human language: Challenges and opportunities. Brain Lang. , (2016).
