صندوق أدوات قائم على التصوير بالرنين المغناطيسي للتخطيط لجرّة الأعصاب في الرئيسيات غير البشرية
Summary
تهدف الطريقة المبينة أدناه إلى توفير بروتوكول شامل لإعداد جراحة الأعصاب غير البشرية (NHP) باستخدام مزيج جديد من طرق الطباعة ثلاثية الأبعاد (3D) واستخراج بيانات التصوير بالرنين المغناطيسي.
Abstract
في هذه الورقة، نحدد طريقة للتحضير الجراحي الذي يسمح للتخطيط العملي لمجموعة متنوعة من جراحات الأعصاب في NHPs فقط باستخدام البيانات المستخرجة من التصوير بالرنين المغناطيسي (MRI). يسمح هذا البروتوكول لتوليد نماذج جسدية دقيقة تشريحية ثلاثية الأبعاد للدماغ والجمجمة ، بالإضافة إلى نموذج جل أجاروز للدماغ الذي ينمّر بعض الخصائص الميكانيكية للدماغ. ويمكن استخراج هذه النماذج من التصوير بالرنين المغناطيسي باستخدام برنامج استخراج الدماغ لنموذج الدماغ، ورمز مخصص لنموذج الجمجمة. ويستفيد بروتوكول الإعداد من أحدث تكنولوجيا الطباعة ثلاثية الأبعاد لصنع أدمغة مُتشابكة وجماجم وقوالب لنماذج مخ هلامية. يمكن استخدام نماذج الجمجمة والدماغ لتصور أنسجة الدماغ داخل الجمجمة مع إضافة استئصال القحف في التعليمات البرمجية المخصصة ، مما يسمح بإعداد أفضل للعمليات الجراحية التي تشمل الدماغ مباشرة. تم تصميم تطبيقات هذه الطرق للعمليات الجراحية التي تشارك في التحفيز العصبي والتسجيل وكذلك الحقن ، ولكن براعة النظام تسمح للتوسع في المستقبل للبروتوكول وتقنيات الاستخراج والنماذج لنطاق أوسع من العمليات الجراحية.
Introduction
وقد تم بحث الرئيسيات خطوة محورية في تطور البحوث الطبية من النماذج الحيوانية إلى التجارب البشرية1,2. هذا هو الحال خصوصا في دراسة علم الأعصاب والهندسة العصبية كما أن هناك تباينا كبيرا الفسيولوجية والتشريحية بين أدمغة القوارض وتلك من الرئيسيات غير البشرية (NHP)1,2,3. مع التكنولوجيات الوراثية الناشئة مثل علم الكيمياء، optogenetics، والتصوير الكالسيوم التي تتطلب التعديل الوراثي للخلايا العصبية، وقد اكتسبت بحوث الهندسة العصبية دراسة وظيفة العصبية في NHP اهتماما خاصا كنموذج قبل الظهر لفهم وظيفة الدماغ2،4،5،6،7،8،9،10،11،12،13،15،16. في معظم تجارب علم الأعصاب NHP ، هناك حاجة إلى تدابير جراحة الأعصاب لزرع أجهزة مختلفة مثل وظائف الرأس ، و غرف التحفيز والتسجيل ، صفائف القطب والنوافذ البصرية4،5،6،7،10،11،13،14،15،17،18.
تستخدم مختبرات NHP الحالية مجموعة متنوعة من الأساليب التي غالبًا ما تتضمن ممارسات غير فعالة بما في ذلك تخدير الحيوان لتتناسب مع ساقي وظيفة الرأس وتقريب انحناء الجمجمة حول موقع استئصال القحف. مختبرات أخرى تناسب رئيس آخر إلى الجمجمة في عملية جراحية أو استخدام أساليب أكثر تقدما للحصول على القياسات اللازمة لزرع مثل تحليل أطلس الدماغ NHP والرنين المغناطيسي (MR) بمسح في محاولة لتقدير انحناء الجمجمة2,10,11,16. جراحي الأعصاب في NHPs تنطوي أيضا على حقن السوائل، وغالبا ما لا يكون المختبرات وسيلة لتصور موقع الحقن المتوقع داخل الدماغ2،4،5،13،14 الاعتماد فقط على قياسات تكسينية والمقارنة مع المسح MR. هذه الطرق لديها درجة من عدم اليقين لا مفر منه من عدم القدرة على اختبار التوافق المادي لجميع المكونات المعقدة للزرع.
لذلك، هناك حاجة إلى طريقة دقيقة غير فاشية للتخطيط للأعصاب في NHPs. هنا، نقدم بروتوكول ومنهجية لإعداد عمليات الزرع والحقن في هذه الحيوانات. تنبع العملية بأكملها من فحوصات التصوير بالرنين المغناطيسي ، حيث يتم استخراج الدماغ والجمجمة من البيانات لإنشاء نماذج ثلاثية الأبعاد (3D) يمكن طباعتها 3D. يمكن الجمع بين نماذج الجمجمة والدماغ للتحضير لعمليات استئصال القحف وكذلك وظائف الرأس مع زيادة مستوى الدقة. ويمكن أيضا أن تستخدم نموذج الدماغ لخلق قالب لصب نموذج هلام دقيقة تشريحيا من الدماغ. يمكن استخدام مخ الجل وحده و بالاشتراك مع الجمجمة المستخرجة للتحضير لمجموعة متنوعة من عمليات الحقن الجراحية. أدناه سوف نصف كل من الخطوات المطلوبة للتصوير بالرنين المغناطيسي القائمة على الأدوات لإعداد جراحة الأعصاب.
Protocol
Representative Results
Discussion
توضح هذه المقالة مجموعة أدوات للتحضير لجرّاح الأعصاب في NHPs باستخدام النماذج الفيزيائية و CAD لتشريح الجمجمة والدماغ المستخرجة من فحوصات MR.
في حين تم تصميم نماذج الجمجمة والمخ المطبوعة ثلاثية الأبعاد المستخرجة والمستخرجة من 3D خصيصًا لإعداد عمليات استئصال القحف وزرع الرأس ، …
Divulgations
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
وقد تم دعم هذا المشروع من قبل معهد يونيس كينيدي شيفر الوطني لصحة الطفل والتنمية البشرية التابع للمعاهد الوطنية للصحة تحت رقم K12HD073945، ومركز واشنطن الوطني لبحوث الرئيسيات (WaNPCR، P51 OD010425)، ومركز التكنولوجيا العصبية (CNT، مركز أبحاث الهندسة التابع للمؤسسة الوطنية للعلوم تحت منحة EEC-1028725) وجامعة واشنطن المتخصصة في الأبحاث. وجاء تمويل مختبرات ماكنك ومارتينيز كوندي لهذا المشروع من مبادرة BRAIN NSF-NCS جائزة 17348887، فضلا عن جوائز NSF 1523614 & 1829474، وSY الإمبراطورية المنح المبتكرة لكل أستاذ. نشكر كرم الخطيب على مساعدته في إعداد أغاروز، وتوني جي هوان على المساعدة الفنية.
Materials
| 3D Printing Software (GrabCAD Print) | Stratasys | Version 1.36 | Used for High quality 3D printing |
| 3D Printing Software (Simplify 3D) | Simplify3D | Version 4.1 | Used for PLA 3D printing |
| Agarose | Benchmark Scientific | A1700 | Used for making gel brains |
| Black Nail Polish | L.A. Colors | CNP637 | Used for gel molding |
| Cannula (ID 320 um, OD 432 um) | Polymicro Technologies | 1068150627 | Used to inject dye into gel brain |
| Cannula (ID 450 um, OD 666 um) | Polymicro Technologies | 1068150625 | Used to inject dye into gel brain |
| Catheter Connector | B Braun | PCC2000 | Perifix for 20-24 Gage epidural catheters; Units per Cs 50 |
| Dremel 3D Digilab 3D45 printer | Dremel | F0133D45AA | Used for prototyping in PLA |
| ECOWORKS | Stratasys | 300-00104 | Used to dissolve QSR support structures |
| Erlymeyer flask | Pyrex | 4980 | Used for gel molding |
| Ethyl cyanoacrylate | The Original Super Glue Corp. | 15187 | Used to make combined cannula |
| Graduated cylinder | 3023 | Used for gel molding | |
| HATCHBOX PLA 3D Printer Filament | HATCHBOX | 3DPLA-1KG1.75-RED/3DPLA-1KG1.75-BLACK | 1kg Spool, 1.75mm, Red/Black |
| Locust Bean Gum | Modernist Pantry | 1018 | Gumming agent for gel brain mixtures |
| MATLAB | MathWorks | R2019b | Used for skull extraction |
| McCormick Yellow Food Color | McCormick | Used for dye injection | |
| Microwave | Panasonic | NN-SD975S | Used for agarose curing |
| MR Imaging Software (3D Slicer) | 3D Slicer | Version 4.10.2 | Used for 3D model generation |
| MR Imaging Software (Mango with BET plugin) | Reasearch Imaging Institute | Version 4.1 | Used for brain extraction |
| Philips Acheiva MRI System | Philips | 4522 991 19391 | Used to image non-human primates |
| Phosphate Buffered Solution | Gibco | 70011-044 | 10X diluted with DI water to 1X |
| Pump | WPI | UMP3T-1 | Used for dye injection |
| Pump driver | WPI | UMP3T-1 | Used for dye injection |
| Refrigerator | General Electric | Used to preserve agarose gel | |
| Scientific Spatula | VWR | 82027-494 | Used to extract gel molds |
| SolidWorks | Dassault Systemes | 2019 | |
| Stratasys ABS-M30 filament | Stratasys | 333-60304 | Used for high quality 3D printing |
| Stratasys F170 3D printer | Stratasys | 123-10000 | Used for high quality 3D printing |
| Stratasys QSR support | Stratasys | 333-63500 | Used to create supports with ABS model |
| Syringe | SGE | SGE250TLL | Used for dye injection |
References
- Phillips, K. A., et al. Why primate models matter. American Journal of Primatology. 76 (9), 801-827 (2014).
- Macknik, S. L., et al. Advanced Circuit and Cellular Imaging Methods in Nonhuman Primates. Journal of Neuroscience. 39 (42), 8267-8274 (2019).
- Seok, J., et al. Genomic responses in mouse models poorly mimic human inflammatory diseases. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. 110 (9), 3507-3512 (2013).
- Ju, N., Jiang, R., Macknik, S. L., Martinez-Conde, S., Tang, S. Long-term all-optical interrogation of cortical neurons in awake-behaving nonhuman primates. PLoS Biol. 16 (8), 2005839 (2018).
- 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).
- Yazdan-Shahmorad, A., Silversmith, D. B., Kharazia, V., Sabes, P. N. Targeted cortical reorganization using optogenetics in nonhuman primates. Elife. 7, (2018).
- Ledochowitsch, P., et al. Strategies for optical control and simultaneous electrical readout of extended cortical circuits. Journal of Neuroscience Methods. 256, 220-231 (2015).
- Yao, Z., Yazdan-Shahmorad, A. A Quantitative Model for Estimating the Scale of Photochemically Induced Ischemic Stroke. Conference proceedings – IEEE Engineering in Medicine and Biology Society. 2018, 2744-2747 (2018).
- Yazdan-Shahmorad, A., Silversmith, D. B., Sabes, P. N. Novel techniques for large-scale manipulations of cortical networks in nonhuman primates. Conference proceedings – IEEE Engineering in Medicine and Biology Society. 2018, 5479-5482 (2018).
- Yazdan-Shahmorad, A., et al. A Large-Scale Interface for Optogenetic Stimulation and Recording in Nonhuman Primates. Neuron. 89 (5), 927-939 (2016).
- Yazdan-Shahmorad, A., et al. Demonstration of a setup for chronic optogenetic stimulation and recording across cortical areas in nonhuman primates. SPIE BiOS. , (2015).
- Han, X. Optogenetics in the nonhuman primate. Progress in Brain Research. 196, 215-233 (2012).
- Acker, L., Pino, E. N., Boyden, E. S., Desimone, R. FEF inactivation with improved optogenetic methods. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. 113 (46), 7297-7306 (2016).
- May, T., et al. Detection of optogenetic stimulation in somatosensory cortex by nonhuman primates–towards artificial tactile sensation. PLoS One. 9 (12), 114529 (2014).
- Griggs, D. J., K, K., Philips, S., Chan, J. W., Ojemann, W. K. S., Yazdan-Shahmorad, A. Optimized large-scale optogenetic interface for nonhuman primates. SPIE BiOS. , (2019).
- 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), (2019).
- Lucas, T. H., Fetz, E. E. Myo-cortical crossed feedback reorganizes primate motor cortex output. Journal of Neuroscience. 33 (12), 5261-5274 (2013).
- Jackson, A., Mavoori, J., Fetz, E. E. Long-term motor cortex plasticity induced by an electronic neural implant. Nature. 444 (7115), 56-60 (2006).
- Paxinos, G., Huang, X. F., Petrides, M., Toga, A. W. . The Rhesus Monkey Brain in Stereotaxic Coordinates. 2nd Edition. , (2008).
- Krauze, M. T., et al. Reflux-free cannula for convection-enhanced high-speed delivery of therapeutic agents. Journal of Neurosurgery. 103 (5), 923-929 (2005).
- Chen, Z. J., et al. A realistic brain tissue phantom for intraparenchymal infusion studies. Journal of Neurosurgery. 101 (2), 314-322 (2004).
- Cheng, H., et al. Prolonged operative duration is associated with complications: a systematic review and meta-analysis. Journal of Surgical Research. 229, 134-144 (2018).
- Michikawa, T., et al. Automatic extraction of endocranial surfaces from CT images of crania. PLoS One. 12 (4), 0168516 (2017).
- Soliman, A. S., et al. A realistic phantom for validating MRI-based synthetic CT images of the human skull. Medical Physics. 44 (9), 4687-4694 (2017).
- Blonde, J. D., et al. Customizable cap implants for neurophysiological experimentation. Journal of Neuroscience Methods. 304, 103-117 (2018).
- Overton, J. A., et al. Improved methods for acrylic-free implants in nonhuman primates for neuroscience research. Journal of Neurophysiology. 118 (6), 3252-3270 (2017).
- Lohmeier, J., Kaneko, T., Hamm, B., Makowski, M. R., Okano, H. atlasBREX: Automated template-derived brain extraction in animal MRI. Scientific Reports. 9 (1), 12219 (2019).
- Ortiz-Rios, M., et al. Improved methods for MRI-compatible implants in nonhuman primates. Journal of Neuroscience Methods. 308, 377-389 (2018).
- Nishimura, Y., Perlmutter, S. I., Eaton, R. W., Fetz, E. E. Spike-timing-dependent plasticity in primate corticospinal connections induced during free behavior. Neuron. 80 (5), 1301-1309 (2013).
- Seeman, S. C., Mogen, B. J., Fetz, E. E., Perlmutter, S. I. Paired Stimulation for Spike-Timing-Dependent Plasticity in Primate Sensorimotor Cortex. Journal of Neuroscience. 37 (7), 1935-1949 (2017).
- Sedaghat-Nejad, E., et al. Behavioral training of marmosets and electrophysiological recording from the cerebellum. Journal of Neurophysiology. 122 (4), 1502-1517 (2019).
- Schweizer-Gorgas, D., et al. Magnetic resonance imaging features of canine gliomatosis cerebri. Veterinary Radiology & Ultrasound. 59 (2), 180-187 (2018).
- Galvan, A., et al. Nonhuman Primate Optogenetics: Recent Advances and Future Directions. Journal of Neuroscience. 37 (45), 10894-10903 (2017).
- Galvan, A., Caiola, M. J., Albaugh, D. L. Advances in optogenetic and chemogenetic methods to study brain circuits in nonhuman primates. Journal of Neural Transmission. 125 (3), 547-563 (2018).
