Een MRI-gebaseerde toolbox voor neurochirurgische planning bij niet-menselijke primaten
Summary
De onderstaande methode is bedoeld om een uitgebreid protocol te bieden voor de voorbereiding van niet-menselijke primaten (NHP) neurochirurgie met behulp van een nieuwe combinatie van driedimensionale (3D) printmethoden en MRI-gegevensextractie.
Abstract
In dit document schetsen we een methode voor chirurgische voorbereiding die het mogelijk maakt voor de praktische planning van een verscheidenheid aan neurochirurgie in NHPs uitsluitend met behulp van gegevens uit magnetische resonantie beeldvorming (MRI). Dit protocol maakt het mogelijk voor de generatie van 3D-geprinte anatomisch nauwkeurige fysieke modellen van de hersenen en schedel, evenals een agarose gel modelleren van een aantal van de mechanische eigenschappen van de hersenen. Deze modellen kunnen worden geëxtraheerd uit MRI met behulp van brain extractie software voor het model van de hersenen, en aangepaste code voor het model van de schedel. Het voorbereidingsprotocol maakt gebruik van state-of-the-art 3D-printtechnologie om interfacing hersenen, schedels en mallen te maken voor gelhersenmodellen. De schedel- en hersenmodellen kunnen worden gebruikt om hersenweefsel in de schedel te visualiseren met de toevoeging van een craniotomie in de aangepaste code, waardoor een betere voorbereiding op operaties direct met de hersenen mogelijk is. De toepassingen van deze methoden zijn ontworpen voor operaties die betrokken zijn bij neurologische stimulatie en opname, evenals injectie, maar de veelzijdigheid van het systeem zorgt voor toekomstige uitbreiding van het protocol, extractietechnieken en modellen naar een breder scala van operaties.
Introduction
Primaten onderzoek is een cruciale stap in de progressie van medisch onderzoek van diermodellen naar menselijke proeven1,2. Dit is vooral zo in de studie van neurowetenschappen en neurale engineering als er een grote fysiologische en anatomische discrepantie tussen knaagdierhersenen en die van niet-menselijke primaten (NHP)1,2,3. Met opkomende genetische technologieën zoals chemogenetica, optogenetica, en calcium imaging die genetische modificatie van neuronen vereisen, neurale engineering onderzoek bestuderen neurale functie in NHP’s heeft opgedaan speciale aandacht als een preklinisch model voor het begrijpen van hersenfunctie2,4,5,6,7,8,9,10,11,12,13,14,15,16. In de meeste NHP-neurowetenschappelijke experimenten zijn neurochirurgische maatregelen nodig voor de implantatie van verschillende apparaten zoals hoofdposten, stimulatie- en opnamekamers, elektrodearrays en optische vensters4,5,6,7,10,11,13,14,15,17,18.
Huidige NHP labs maken gebruik van een verscheidenheid van methoden die vaak ineffectieve praktijken, waaronder het verdveemen van het dier om de benen van een hoofdpost passen en benaderen de kromming van de schedel rond de craniotomie site. Andere laboratoria passen de hoofdpost aan de schedel in chirurgie of gebruiken geavanceerdere methodes om de noodzakelijke metingen voor implantatie zoals het analyseren van een NHP hersenenatlas en magnetische resonantie (MR) scans te gebruiken om schedelkrommingen2,10,11,16te schatten. Neurochirurgie in NHPs omvatten ook vloeistof injecties, en laboratoria hebben vaak geen manier om de geprojecteerde injectie locatie in de hersenen2,4,5,13,14 uitsluitend vertrouwen op stereotaxic metingen en vergelijking met MR scans visualiseren. Deze methoden hebben een zekere mate van onvermijdelijke onzekerheid omdat ze de fysieke compatibiliteit van alle complexe componenten van het implantaat niet kunnen testen.
Daarom is er behoefte aan een nauwkeurige niet-invasieve methode voor neurochirurgische planning in NHPs. Hier presenteren we een protocol en methodologie voor de voorbereiding van implantatie- en injectieoperaties bij deze dieren. Het hele proces komt voort uit MRI-scans, waarbij de hersenen en schedel worden geëxtraheerd uit de gegevens om driedimensionale (3D) modellen te maken die vervolgens 3D-geprint kunnen worden. De schedel- en hersenmodellen kunnen worden gecombineerd om zich voor te bereiden op craniotomieoperaties en hoofdposten met een verhoogd niveau van nauwkeurigheid. De hersenen model kan ook worden gebruikt om een mal te maken voor het gieten van een anatomisch nauwkeurige gel model van de hersenen. De gel hersenen alleen en in combinatie met een geëxtraheerde schedel kan worden gebruikt om voor te bereiden op een verscheidenheid van injectie operaties. Hieronder beschrijven we elk van de stappen die nodig zijn voor de MRI-gebaseerde toolbox voor neurochirurgische voorbereiding.
Protocol
Representative Results
Discussion
Dit artikel beschrijft een toolbox voor de voorbereiding voor neurochirurgie in NHPs met behulp van fysieke en CAD-modellen van schedel-en hersenanatomie gewonnen uit MR-scans.
Terwijl de geëxtraheerde en 3D geprinte schedel- en hersenmodellen speciaal zijn ontworpen voor de voorbereiding van craniotomieoperaties en hoofdpostimplantaties, leent de methodologie zich voor verschillende andere toepassingen. Zoals eerder beschreven, het fysieke model van de schedel zorgt voor het buigen van de ho…
Divulgations
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Dit project werd ondersteund door het Eunice Kennedy Shiver National Institute of Child Health & Human Development van de National Institutes of Health onder Award Number K12HD073945, het Washington National Primate Research Center (WaNPCR, P51 OD010425), het Center for Neurotechnology (CNT, een National Science Foundation Engineering Research Center onder Grant EEC-1028725) en de Universiteit van Washington Royalty Research. Financiering aan de Macknik en Martinez-Conde labs voor dit project kwam van een BRAIN Initiative NSF-NCS Award 1734887, evenals NSF Awards 1523614 & 1829474, en SUNY Empire Innovator Beurzen aan elke professor. Wij danken Karam Khateeb voor zijn hulp bij de voorbereiding van agarose, en Toni J Huan voor technische hulp.
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).
