Хирургической подготовки для имплантации кортикальное микроэлектродные массивов с использованием модели формальдегида Исправлена человеческий труп
Summary
Мы разработали процедуры, в котором формальдегида Исправлена трупа человека используется для оказания помощи нейрохирургов в подготовке кадров для имплантации микроэлектродные массивов в Неокортекс человеческого мозга.
Abstract
Этот протокол описывает процедуру для оказания помощи хирургов в подготовке кадров для имплантации микроэлектродные массивов в Неокортекс человеческого мозга. Последние технический прогресс позволил изготовление микроэлектродные массивов, которые позволяют записи деятельность нескольких отдельных нейронов коры головного мозга головного мозга человека. Эти массивы имеют потенциал, чтобы привести уникальный взгляд на нейронные корреляты мозговой функции в здоровье и болезни. Кроме того идентификация и декодирование волевой активности нейронов открывает возможность создания интерфейсов мозг компьютер и таким образом может помочь восстановлению утраченных неврологических функций. Имплантация кортикальное микроэлектродные массивов является инвазивной процедурой, требующей выше сантиметрового краниотомии и воздействия поверхности коры; Таким образом процедура должна быть выполнена надлежащим образом подготовленных нейрохирург. Для того, чтобы предоставить возможность для хирургического обучения, мы разработали процедуры, основанной на модели человеческих трупа. Использование формальдегида Исправлена человеческий труп обходит практические, этические и финансовые трудности хирургической практике на животных (особенно нечеловеческих приматов) при сохранении макроскопических структуры головы, череп, мозговые оболочки и головного мозга поверхность и позволяя реалистичные, операционной комнате как позиционирование и приборостроение. Кроме того использование человеческих трупа повседневной клинической практике ближе, чем любой не человеческого модель. Основные недостатки трупной моделирования являются отсутствие пульсации мозга и циркуляцию крови и цереброспинальной жидкости. Мы предлагаем, что формальдегид Исправлена человеческий труп модель является адекватной, практическим и экономически эффективным подход для обеспечения надлежащего хирургической подготовки до имплантации микроэлектродные массивы в жизни человека коры головного мозга.
Introduction
В последние годы развитие технологических решений проблемы записи деятельность нескольких отдельных нейронов в живой мозг1,2,3. На основе кремния микроэлектродные массивы выполняют аналогично микроэлектродов обычного провода с точки зрения сигнала свойства, и они могут записывать от десятков до сотен нейронов в небольшой патч мозговой ткани4,5, 6 , 7. микроэлектродные массивы позволили ученым установить соответствие между нейронной активности в первичной моторной коры обезьян и руку движений8, который в свою очередь предоставила толчок для развития мозг компьютера интерфейсы (ИСБР)9.
Массивы микроэлектродные были использованы людьми в двух ситуациях: как хронический имплантаты для управления BCIs и как полу хронический имплантаты для изучения деятельности отдельных нейронов у больных, страдающих эпилепсией. Хронический имплантатов, ориентация функционального представительства руки в первичной моторной коры, позволили пациентов, страдающих от тетраплегии для управления движением робота-манипулятора или компьютер курсоры10,11,12 ,13. Полу хронический имплантатов, вставляется вместе с электродами субдуральной electrocorticography (ЭГ) у больных с лекарственно-эпилепсии, которые являются кандидатами для хирургии эпилепсии14, позволяют единичного записи до, во время и после судорог, и начали пролить свет на деятельность одного нейронов, во время и между эпилептические припадки15,16,,1718,19. Микроэлектродные массивы имеют потенциал, чтобы значительно улучшить наше понимание как функции мозга путем установления связи между деятельностью нейронов, с одной стороны и восприятие, движений и мысли людей, как в области здравоохранения, так и в болезнь, другие20,21.
Коммерчески теперь доступны на основе кремния микроэлектродные массивов и их использование в организме человека были одобрены регулирующими органами в США в полу хронический эпилепсии индикации. Однако эти устройства являются инвазивными и должен быть вставлен в мозг. Негативные последствия неправильной вставки техники, за отказ устройства для записи активности нейронов, включают кровоизлияния и инфекции, с потенциалом для длительное или постоянное неврологической дисфункции. Хотя процент осложнений микроэлектродные массив имплантации в настоящее время неизвестно, потенциально серьезных осложнений во время имплантации внутричерепных электроэнцефалография (ЭЭГ) macroelectrodes составляет 1-5%22, 23. Таким образом, надлежащего имплантации микроэлектродные массивов требует нейрохирургического обширные навыки и подготовку конкретных процедур.
Доступные для хирургов отточить свои навыки с микроэлектродные массивы в безопасной среде подходы включают в себя не человеческого млекопитающих и человеческих трупов. Идеальная учебная модель будет точно воспроизвести размер и толщина человеческого черепа; прочность и сосудистой ветвления Дура; gyrification узор, последовательность и пульсации человеческого мозга; присутствие циркулирующей крови и спинномозговой жидкости; и общий позиционирования предмета в операционной комнате (OR)-как и окружающей среды. Таким образом Животные модели должны быть достаточного размера, чтобы обеспечить значимый опыт хирургов. Большие нечеловеческих приматов приходят ближайший, но их использование для хирургического обучения является неприемлемым как с этической точки зрения и потому, что они являются дорогостоящими. Грызуны не вводите рассмотрения из-за их небольших размеров; использование даже кошки или кроликов подразумевает значительно расходящиеся от OR-среде.
Человеческих трупов представляют собой привлекательную альтернативу. Их преимущества включают в себя жизни, как размер и форма головы и мозга и возможность создания хирургического обучения в среде или как. Наиболее очевидные отклонения от реалистичные ситуации являются отсутствие мозга пульсаций и кровотечение и модификации в аспекте и консистенции тканей тела, которые являются специфическими для методики для сохранения труп24. Свежемороженые трупов сохранять последовательность и гибкость многих органов и тканей в некоторой степени, но они имеют ряд недостатков: они начинают унижающего достоинство как только таяние начинается, так что мозг становится слишком деградации для вставки микроэлектродные массив реально выполнить и они являются сравнительно редким и дорогим ресурсом. Формальдегид Исправлена трупов, с другой стороны, более доступным и доступны и гораздо более долговечны, за счет последовательности закаленной ткани.
Здесь мы установить процедуру, с помощью модели формальдегида Исправлена человеческих трупа для нейрохирургического обучения для имплантации кортикальное микроэлектродные массива. Наш подход позволяет реалистичные, или как позиционирование и приборостроение; Краниотомия и durotomy и подвергая кортикальное поверхности; Прикрепление электродов пьедестал кости черепа, соседних краниотомии; и вставить в массив микроэлектродные в коры головного мозга с пневматический ударный25. Критически, он позволяет хирургам, чтобы практиковать точное выравнивание массива микроэлектродные (который соединен к подножию электрода пучок индивидуально изолированных проводов золото) параллельно кортикальное поверхности26. Наш протокол добросовестно реплицирует указание микроэлектродные массив имплантации вместе с ЭГ имплантации в пациентов, которые являются кандидатами для хирургии эпилепсии. Данные операции имплантации значительно влияют точный тип массива микроэлектродные; Здесь мы описываем процедуры для массива, который недавно получил нормативного утверждения для использования людьми в США. Так называемые Юта массив состоит из 4 x 4 мм, 100 микроэлектродные сетки; Чрескожная пьедестал, который прилагается к внешней таблице черепа; и пучок проводов подключения двух.
Protocol
Representative Results
Discussion
Формальдегид Исправлена человеческий труп модель и хирургический протокол, описанные здесь реплицировать хирургическая процедура имплантации микроэлектродные массивы в человека мозговой коры головного мозга. Каждый шаг процедуры, в том числе позиционирование микроэлектродные мас?…
Divulgations
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Авторы выражают благодарность д-р Роб Франклин (Blackrock Microsystems), профессор Margitta Seeck (Отдел неврологии, больницы университета Женева, Женева, Швейцария), д-р Андреа Бартоли и профессор Карл Schaller (отдела нейрохирургии, Женевский университет Больницы, Женева, Швейцария) и г-н Флоран Бурдин и профессор John P. Donoghue (ВИСС центр био и Neuroengineering, Женева, Швейцария) за их поддержку в подготовке настоящей работы.
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).
