МРТ-инструментарий для нейрохирургического планирования у нечеловеческих приматов
Summary
Метод, изложенный ниже, направлен на обеспечение всеобъемлющего протокола подготовки нейрохирургии нечеловеческих приматов (NHP) с использованием нового сочетания трехмерных (3D) методов печати и извлечения мрт данных.
Abstract
В этой работе мы наметим метод хирургической подготовки, который позволяет практическое планирование различных нейрохирургов в NHPs исключительно с использованием данных, извлеченных из магнитно-резонансной томографии (МРТ). Этот протокол позволяет для генерации 3D печатных анатомически точных физических моделей мозга и черепа, а также агарозы гель модель мозга моделирования некоторых механических свойств мозга. Эти модели могут быть извлечены из МРТ с помощью программного обеспечения для извлечения мозга для модели мозга, и пользовательский код для модели черепа. Протокол подготовки использует самые современные технологии 3D-печати, чтобы сделать взаимопоморотные мозги, черепа и формы для моделей мозга геля. Модели черепа и мозга могут быть использованы для визуализации тканей мозга внутри черепа с добавлением краниотомии в пользовательском коде, что позволяет лучше подготовиться к операциям непосредственно с участием мозга. Применение этих методов предназначено для операций, связанных с неврологической стимуляцией и записью, а также инъекциями, но универсальность системы позволяет в будущем расширить протокол, методы экстракции и модели до более широкого спектра операций.
Introduction
Примат исследования были ключевым шагом в прогрессировании медицинских исследований от животных моделей для человеческихиспытаний 1,2. Это особенно важно при изучении нейробиологии и нейротехники, так как существует большое физиологическое и анатомическое несоответствие между мозгом грызунов и мозгом нечеловеческих приматов (NHP)1,2,3. С появлением генетических технологий, таких как хемогенетика, оптогенетика, и кальция изображений, которые требуют генетической модификации нейронов, нейронной инженерии исследования изучения нервной функции в NHP получила особое внимание в качестведоклинтической модели для понимания функциимозга 2,4,5,6,7,8,9,10,11,12,13,14,15,16. В большинстве экспериментов NHP неврологии, нейрохирургические меры необходимы для имплантации различных устройств, таких как головные столбы, стимуляции и записи камер, электродныхмассивов и оптических окон 4,5,6,7,10,11,13,14,15,17,18.
Текущие лаборатории NHP используют различные методы, которые часто включают неэффективные методы, включая облечение животного, чтобы соответствовать ногам головы и приблизить кривизну черепа вокруг места краниотомии. Другие лаборатории подходят головной столб черепа в хирургии или использовать более продвинутые методы получения необходимых измерений для имплантации, как анализ атласа мозга NHP и магнитного резонанса (MR) сканирует, чтобы попытаться оценитькривизны черепа 2,10,11,16. Нейрохирургии в NHPs также включают инъекции жидкости, и лаборатории часто не имеют никакого способа визуализировать прогнозируемые места инъекциив головном мозге 2,4,5,13,14 опираясьисключительно на стереотаксис измерений и сравнения с MR сканирования. Эти методы имеют степень неизбежной неопределенности от того, чтобы быть не в состоянии проверить физическую совместимость всех сложных компонентов имплантата.
Таким образом, существует необходимость в точном неинвазивном методе нейрохирургического планирования в NHPs. Здесь мы представляем протокол и методологию подготовки имплантации и инъекций этих животных. Весь процесс проистекает из МРТ, где мозг и череп извлекаются из данных для создания трехмерных (3D) моделей, которые затем могут быть напечатаны 3D. Модели черепа и мозга могут быть объединены для подготовки к черепно-мозговой операции, а также головы должности с повышенным уровнем точности. Модель мозга также может быть использована для создания формы для литья анатомически точной модели геля мозга. Гель мозга в одиночку и в сочетании с извлеченным черепом может быть использован для подготовки к различным инъекциям операций. Ниже мы опишем каждый из шагов, необходимых для МРТ на основе инструментария для нейрохирургической подготовки.
Protocol
Representative Results
Discussion
В этой статье описывается набор инструментов для подготовки к нейрохирургии в NHPs с использованием физических и CAD моделей черепа и анатомии мозга, извлеченных из МРТ-сканирования.
В то время как извлеченные и 3D печатные модели черепа и мозга были разработаны специально д…
Divulgations
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Этот проект был поддержан Eunice Кеннеди Shiver Национальный институт здоровья детей и развития человека Национальных институтов здравоохранения в соответствии с премией номер K12HD073945, Вашингтон Национальный исследовательский центр приматов (WaNPCR, P51 OD010425), Центр нейротехнологий (CNT, Национальный научный фонд Инженерно-исследовательский центр в рамках Грант EEC-1028725) и Университет Вашингтона Королевский исследовательский фонд. Финансирование лабораторий Макник и Мартинес-Конде для этого проекта поступило из BRAIN Initiative NSF-NCS Award 1734887, а также NSF Awards 1523614 и 1829474, и SUNY Empire Стипендии для каждого профессора. Мы благодарим Карама Хатиба за помощь в подготовке агарозы, и Тони Дж Уана за техническую помощь.
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).
