ארגז כלים מבוסס MRI לתכנון נוירוכירורגי בפרימטים לא אנושיים
Summary
השיטה המתוארת להלן נועדה לספק פרוטוקול מקיף להכנת נוירוכירורגיה יונקים לא אנושיים (NHP) באמצעות שילוב חדשני של שיטות הדפסה תלת מימדיות (תלת מימד) וחילוץ נתוני MRI.
Abstract
בנייר זה, אנו מתארים שיטה להכנה כירורגית המאפשרת תכנון מעשי של מגוון נוירוכירורגיות ב NHPs אך ורק באמצעות נתונים המופקים הדמיית תהודה מגנטית (MRI). פרוטוקול זה מאפשר לדור של מודלים פיזיים מדויקים אנטומית מודפסים בתלת-ממד של המוח והגולגולת, כמו גם מודל ג’ל agarose של המוח מידול חלק מהמאפיינים המכניים של המוח. מודלים אלה ניתן לחלץ MRI באמצעות תוכנת מיצוי המוח עבור המודל של המוח, קוד מותאם אישית עבור המודל של הגולגולת. פרוטוקול ההכנה מנצל את טכנולוגיית ההדפסה בתלת-ממד העדכנית ביותר כדי ליצור התבכות במוח, גולגולות ותבניות למודלים של מוח ג’ל. מודלים הגולגולת והמוח יכול לשמש כדי לדמיין את רקמת המוח בתוך הגולגולת עם תוספת של פתיחת גולגולת בקוד המותאם אישית, המאפשר הכנה טובה יותר לניתוחים ישירות מעורבים במוח. היישומים של שיטות אלה מיועדים לניתוחים המעורבים גירוי נוירולוגי והקלטה, כמו גם הזרקה, אבל הרב-תכליתיות של המערכת מאפשרת הרחבה עתידית של הפרוטוקול, טכניקות החילוץ, ומודלים להיקף רחב יותר של ניתוחים.
Introduction
מחקר יונקים היה צעד מרכזי בהתקדמות המחקר הרפואי ממודלים של בעלי חיים לניסויים בבניאדם 1,2. זה במיוחד במחקר של מדעי המוח והנדסה עצבית כפי שיש פער פיזיולוגי ואנטומי גדול בין מוח מכרסמים ואלה של פרימטים לא אנושיים (NHP)1,2,3. עם טכנולוגיות גנטיות מתפתחות כגון כימותרפיה, אופטוגנטיקה, והדמיית סידן הדורשים שינוי גנטי של נוירונים, מחקר הנדסה עצבית החוקר תפקוד עצבי ב NHP זכה לתשומת לב מיוחדת כמודל פרה-קליני להבנת תפקוד המוח2,4,5,6,7,8,9,10,11,12,13,14,15,16. ברוב ניסויי מדעי המוח של NHP נדרשים אמצעים נוירוכירורגיים להשתלה של מכשירים שונים כגון עמדות ראש, תאי גירוי והקלטה, מערכי אלקטרודהוחלונות אופטיים 4,5,6,7,10,13,14,15,17,18.
מעבדות NHP הנוכחיות להשתמש במגוון שיטות הכוללות לעתים קרובות שיטות לא יעילות כולל להסתם את החיה כדי להתאים את הרגליים של ראש לעמוד וערך עקמומיות של הגולגולת סביב אתר פתיחת הגולגולת. מעבדות אחרות מתאימות את העמדה הראשית לגולגולת בניתוח או משתמשות בשיטות מתקדמות יותר להשגת המדידות הדרושות להשתלה כמו ניתוח אטלס מוחי NHP ותהודה מגנטית (MR) סריקות כדי לנסות להעריך עקמומיותגולגולת 2,10,11,16. נוירוכירורגיות ב NHPs כרוכים גם זריקות נוזלים, מעבדות לעתים קרובות איןדרך לדמיין את מיקום ההזרקה הצפוי בתוך המוח 2,4,5,13,14 להסתמך אך ורק על מדידות סטריאוטיפיות והשוואה סריקות MR. שיטות אלה יש מידה של אי ודאות בלתי נמנעת מלהיות מסוגל לבדוק את התאימות הפיזית של כל הרכיבים המורכבים של השתל.
לכן, יש צורך בשיטה מדויקת לא פולשנית לתכנון נוירוכירורגי בNPS. כאן אנו מציגים פרוטוקול ומתודולוגיה להכנת השתלות וניתוחי הזרקה בבעלי חיים אלה. התהליך כולו נובע מסריקות MRI, שבהן המוח והגולגולת מופקים מהנתונים כדי ליצור מודלים תלת מימדיים (תלת-ממדיים) שניתן להדפיס בתלת-ממד. ניתן לשלב את מודלי הגולגולת והמוח כדי להתכונן לניתוחי פתיחת גולגולת, כמו גם לעמדות ראש ברמת דיוק מוגברת. מודל המוח יכול לשמש גם כדי ליצור עובש לליהוק של מודל ג’ל מדויק אנטומית של המוח. מוח הג’ל לבד ובשילוב עם גולגולת מופקת יכול לשמש כדי להתכונן למגוון רחב של ניתוחי הזרקה. להלן נותאר כל אחד מהצעדים הנדרשים עבור ארגז הכלים מבוסס MRI להכנת נוירוכירורגית.
Protocol
Representative Results
Discussion
מאמר זה מתאר ארגז כלים להכנת נוירוכירורגיה ב NHPs באמצעות מודלים פיזיים CAD של אנטומיה של הגולגולת והמוח שחולצו מסריקות MR.
בעוד מודלים גולגולת מודפס 3D 3D ומודלים המוח תוכננו במיוחד להכנת ניתוחי פתיחת גולגולת והשתלות פוסט ראש, המתודולוגיה משאילה את עצמה למספר יישומים אחרים. כפי …
Divulgations
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
פרויקט זה נתמך על ידי המכון הלאומי לבריאות הילד ע”ש יוניס קנדי פיתוח אנושי של המכונים הלאומיים לבריאות תחת מספר פרס K12HD073945, וושינגטון הלאומי יונקים מחקר מרכז (WaNPCR, P51 OD010425), המרכז לנוירוטכנולוגיה (CNT, מרכז מחקר הנדסה קרן לאומית למדע תחת גרנט EEC-1028725) ואוניברסיטת וושינגטון רויאלטי קרנות מחקר. המימון למעבדות מקניק ומרטינז-קונדה לפרויקט זה הגיע מ-NSF-NCS Award 1734887, כמו גם פרסי NSF 1523614 ו-1829474, ומלגות SUNY Empire Innovator לכל פרופסור. אנו מודים לכראם ח’תיב על עזרתו בהכנת אגרוז, ולטוני ג’יי הואן על העזרה הטכנית.
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).
