비인간 영장류의 신경 외과 계획을위한 MRI 기반 도구 상자
Summary
아래에 설명된 방법은 3차원(3D) 프린팅 방법과 MRI 데이터 추출의 새로운 조합을 사용하여 비인간 영장류(NHP) 신경외과의 제조를 위한 포괄적인 프로토콜을 제공하는 것을 목표로 합니다.
Abstract
이 논문에서는 자기 공명 영상(MRI)에서 추출한 데이터만으로 NHP에서 다양한 신경 외과 수술을 실질적으로 계획할 수 있는 수술 준비를 위한 방법을 간략하게 설명합니다. 이 프로토콜은 뇌와 두개골의 해부학적으로 정확한 물리적 모델뿐만 아니라 뇌의 기계적 특성 중 일부를 모델링하는 뇌의 아가로즈 젤 모델을 3D 인쇄 생성할 수 있게 합니다. 이러한 모델은 뇌 모델에 대한 뇌 추출 소프트웨어와 두개골 모델에 대한 사용자 지정 코드를 사용하여 MRI에서 추출할 수 있습니다. 준비 프로토콜은 최첨단 3D 프린팅 기술을 활용하여 젤 브레인 모델을 위한 뇌, 두개골 및 금형을 상호 향하게 합니다. 두개골과 뇌 모델은 사용자 정의 코드에 두개골 절제술을 추가하여 두개골 내부의 뇌 조직을 시각화하는 데 사용할 수 있으므로 뇌와 직접 관련된 수술에 대한 더 나은 준비를 할 수 있습니다. 이러한 방법의 응용 프로그램은 신경 자극 및 기록뿐만 아니라 주사에 관련된 수술을 위해 설계되었지만 시스템의 다재 다능성은 프로토콜, 추출 기술 및 모델의 향후 확장을 수술의 넓은 범위로 확장 할 수 있습니다.
Introduction
영장류 연구는 동물 모델에서 인체 실험1,2에의학 연구의 진행에 중추적 인 단계되었습니다. 이것은 설치류 두뇌와 비인간 영장류 (NHP)1,2,3의그 사이 큰 생리적 및 해부학적 불일치가 있기 때문에 신경 과학 및 신경 공학의 연구 결과에서 특히 그렇다. 신경의 유전자 변형이 필요한 화학유전학, 광유전학, 칼슘 이미징 과 같은 새로운 유전 기술로 NHP의 신경 기능을 연구하는 신경 공학 연구는 뇌 기능2,4,5,6,7,9,10,11,12,13,14,15, 16을이해하는 전임상 모델로 특별한 관심을 얻고 있다. 대부분의 NHP 신경과학 실험에서, 신경외과적 대책은 헤드포스트, 자극 및 기록실, 전극 어레이 및 광학윈도우4,5,6,7,7,10,11,13,14, 15,17,18과같은 다양한 장치의 이식에 필요하다.
현재 NHP 실험실은 종종 머리 기둥의 다리에 맞게 동물을 진정하고 두개골 부위 주변의 두개골곡률을 근사화하는 등 비효율적인 관행을 포함하는 다양한 방법을 사용합니다. 다른 실험실은 수술에서 두개골에 헤드 포스트에 적합하거나 두개골 곡률2,10,11,16을추정하기 위해 NHP 뇌 아틀라스 및 자기 공명 (MR) 스캔을 분석하는 것과 같은 이식에 필요한 측정을 얻는 보다 진보 된 방법을 사용합니다. NHP의 신경 수술은 또한 액체 주사를 포함하고, 실험실은 수시로 두뇌2,4,5,13,14 의 앞에 투영된 주입 위치를 시각화할 방법이 없습니다 전적으로 스테레오탁스 측정및 MR 검사에 비교합니다. 이러한 방법은 임플란트의 모든 복잡한 구성 요소의 물리적 호환성을 테스트 할 수없는 피할 수없는 불확실성의 정도를 가지고있다.
따라서 NHP에서 신경 외과 계획에 대한 정확한 비침습적 방법이 필요합니다. 여기서는 이러한 동물에 이식 및 주사 수술 준비를 위한 프로토콜과 방법론을 제시합니다. 전체 과정은 MRI 스캔에서 비롯되며, 여기서 뇌와 두개골은 데이터에서 추출되어 3D 인쇄될 수 있는 3차원(3D) 모델을 생성합니다. 두개골과 뇌 모델은 두개 통 수술뿐만 아니라 정확도의 증가 수준을 가진 머리 기둥에 대한 준비를 결합 할 수 있습니다. 뇌 모델은 또한 뇌의 해부학적으로 정확한 젤 모델의 주조를위한 금형을 만드는 데 사용할 수 있습니다. 젤 뇌는 단독으로 추출 된 두개골과 함께 다양한 주사 수술을 준비하는 데 사용할 수 있습니다. 아래에서 우리는 신경 외과 준비를위한 MRI 기반 도구 상자에 필요한 각 단계를 설명합니다.
Protocol
Representative Results
Discussion
이 문서에서는 MR 스캔에서 추출한 두개골 및 뇌 해부학의 물리적 및 CAD 모델을 사용하여 NHP에서 신경 수술을 준비하기위한 도구 상자에 대해 설명합니다.
추출 및 3D 인쇄 된 두개골및 뇌 모델은 두개골 수술 및 머리 포스트 이식의 준비를 위해 특별히 설계되었지만 방법론은 여러 가지 다른 응용 프로그램에 빌려준다. 앞에서 설명한 바와 같이, 두개골의 물리적 모델은 수술 ?…
Divulgations
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
이 프로젝트는 유니스 케네디 시버 국립 아동 건강 및 인간 개발 연구소가 수상 번호 K12HD073945, 워싱턴 국립 영장류 연구 센터 (WaNPCR, P51 OD010425), 신경 공학 센터 (CNT, 그랜트 EEC-1027) 아래 국립 과학 재단 엔지니어링 연구 센터 .. 이 프로젝트에 대한 맥크니크와 마르티네즈 콘데 연구소에 대한 자금은 뇌 이니셔티브 NSF-NCS 상 1734887뿐만 아니라 NSF 어워드 1523614 및 1829474, 그리고 SUNY 제국 혁신장학금에서 각 교수에게 제공되었습니다. 우리는 아가로즈 준비에 대한 그의 도움에 대한 Karam Khateeb감사, 기술 적 도움을 토니 J Huan.
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).
