Une boîte à outils basée sur l’IRM pour la planification neurochirurgical chez les primates non humains
Summary
La méthode décrite ci-dessous vise à fournir un protocole complet pour la préparation de la neurochirurgie non humaine des primates (PSN) à l’aide d’une nouvelle combinaison de méthodes d’impression tridimensionnelles (3D) et d’extraction de données IRM.
Abstract
Dans cet article, nous décrivons une méthode de préparation chirurgicale qui permet la planification pratique d’une variété de neurochirurgies dans les PSN uniquement à l’aide de données extraites de la formation image par résonance magnétique (IRM). Ce protocole permet la génération de modèles physiques anatomiquement précis imprimés en 3D du cerveau et du crâne, ainsi qu’un modèle de gel agarose du cerveau modelant certaines des propriétés mécaniques du cerveau. Ces modèles peuvent être extraits de l’IRM à l’aide d’un logiciel d’extraction du cerveau pour le modèle du cerveau, et de code personnalisé pour le modèle du crâne. Le protocole de préparation tire parti de la technologie d’impression 3D de pointe pour fabriquer des cerveaux, des crânes et des moules interfacants pour les modèles de cerveaux en gel. Les modèles du crâne et du cerveau peuvent être utilisés pour visualiser les tissus cérébraux à l’intérieur du crâne avec l’ajout d’une craniotomie dans le code personnalisé, permettant une meilleure préparation pour les chirurgies impliquant directement le cerveau. Les applications de ces méthodes sont conçues pour les chirurgies impliquées dans la stimulation neurologique et l’enregistrement ainsi que l’injection, mais la polyvalence du système permet l’expansion future du protocole, des techniques d’extraction et des modèles à un plus large éventail de chirurgies.
Introduction
La recherche sur les primates a été une étape cruciale dans la progression de la recherche médicale des modèles animaux aux essaishumains 1,2. C’est particulièrement le cas dans l’étude des neurosciences et de l’ingénierie neuronale, car il existe un écart physiologique et anatomique important entre le cerveau des rongeurs et celui des primates non humains (PSN)1,2,3. Avec les technologies génétiques émergentes telles que la chimiogénétique, l’optogénétique et l’imagerie calcique qui nécessitent une modification génétique des neurones, la recherche en génie neuronal étudiant la fonction neuronale dans les PSN a attiré une attention particulière en tant que modèle préclinique pour comprendre la fonctioncérébrale 2,4,5,6,7,8,9,10,11,12,13,14,15,16. Dans la plupart des expériences en neurosciences du PSN, des mesures neurochirurgicales sont nécessaires pour l’implantation de divers dispositifs tels que les poteaux de tête, les chambres de stimulation et d’enregistrement, les tableauxd’électrodes etles fenêtres optiques 4,5,6,7,10,11,13,14,15,17,18.
Les laboratoires actuels de PSN utilisent une variété de méthodes qui comprennent souvent des pratiques inefficaces, y compris la sedating de l’animal pour s’adapter aux jambes d’un poteau de tête et se rapprocher de la courbure du crâne autour du site de craniotomie. D’autres laboratoires s’adaptent le poteau de tête au crâne dans la chirurgie ou emploient des méthodes plus avancées d’obtenir les mesures nécessaires pour l’implantation comme l’analyse d’un atlas de cerveau de NHP et des balayages de résonance magnétique (MR) pour essayer d’estimer des courbures decrâne 2,10,11,16. Les neurochirurgies dans les PSN impliquent également des injections de liquide, et les laboratoires n’ont souvent aucun moyen de visualiser l’emplacement d’injection projeté dansle cerveau 2,4,5,13,14 en se fondant uniquement sur des mesures stéréotaxiques et la comparaison avec les balayages de MR. Ces méthodes ont un degré d’incertitude inévitable de ne pas être en mesure de tester la compatibilité physique de tous les composants complexes de l’implant.
Par conséquent, il est nécessaire d’avoir une méthode non invasive précise pour la planification neurochirurgical dans les PSN. Ici, nous présentons un protocole et une méthodologie pour la préparation des chirurgies d’implantation et d’injection chez ces animaux. L’ensemble du processus provient de l’IRM, où le cerveau et le crâne sont extraits des données pour créer des modèles tridimensionnels (3D) qui peuvent ensuite être imprimés en 3D. Les modèles du crâne et du cerveau peuvent être combinés pour se préparer aux chirurgies de craniotomie ainsi qu’aux poteaux de tête avec un niveau accru de précision. Le modèle cérébral peut également être utilisé pour créer un moule pour la coulée d’un modèle de gel anatomiquement précis du cerveau. Le cerveau gel seul et en combinaison avec un crâne extrait peut être utilisé pour se préparer à une variété de chirurgies d’injection. Ci-dessous nous allons décrire chacune des étapes requises pour la boîte à outils basée sur l’IRM pour la préparation neurochirurgical.
Protocol
Representative Results
Discussion
Cet article décrit une boîte à outils pour la préparation des neurochirurgies dans les PSN à l’aide de modèles physiques et CAO de l’anatomie du crâne et du cerveau extraits des scans MR.
Alors que les modèles de crâne et de cerveau imprimés en 3D et extraits ont été conçus spécifiquement pour la préparation des chirurgies de craniotomie et des implantations de poteaux de tête, la méthodologie se prête à plusieurs autres applications. Comme décrit précédemment, le mod…
Divulgations
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Ce projet a été soutenu par l’Eunice Kennedy Shiver National Institute of Child Health & Human Development des National Institutes of Health sous le numéro de prix K12HD073945, le Washington National Primate Research Center (WaNPCR, P51 OD010425), le Center for Neurotechnology (CNT, national Science Foundation Engineering Research Center sous Grant EEC-1028725) et l’University of Washington Royalty Research Funds. Le financement des laboratoires Macknik et Martinez-Conde pour ce projet provenait d’un prix BRAIN Initiative NSF-NCS 1734887, ainsi que des prix NSF 1523614 & 1829474, et des bourses d’études suny empire innovator scholarships à chaque professeur. Nous remercions Karam Khateeb pour son aide dans la préparation de l’agarose, et Toni J Huan pour son aide technique.
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 |
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