İnsan olmayan Primatlarda Nöroşirürji Planlaması için MRI Tabanlı Araç Kutusu
Summary
Aşağıda özetlenen yöntem, üç boyutlu (3D) baskı yöntemleri ve MR Veri çıkarma nın yeni bir kombinasyonunu kullanarak insan dışı primat (NHP) nöroşirürji sinin hazırlanması için kapsamlı bir protokol sağlamayı amaçlamaktadır.
Abstract
Bu yazıda, sadece manyetik rezonans görüntüleme (MRG) elde edilen verileri kullanarak NHP’lerde çeşitli nörocerrahilerin pratik olarak planlanmasına olanak tanıyan cerrahi hazırlık yöntemini ana hatlatan. Bu protokol beyin ve kafatası 3D baskılı anatomik olarak doğru fiziksel modellerin üretimi için izin verir, hem de beynin mekanik özellikleri bazı modelleme beynin bir agarose jel modeli. Bu modeller beyin modeli için beyin çıkarma yazılımı kullanarak MRG ayıklanabilir, ve kafatası modeli için özel kod. Hazırlık protokolü, jel beyin modelleri için beyinler, kafatasları ve kalıplar arasında yüz yüze yapmak için son teknoloji 3D baskı teknolojisinden yararlanır. Kafatası ve beyin modelleri özel kod bir kraniotomi eklenmesi ile kafatası içinde beyin dokusu görselleştirmek için kullanılabilir, doğrudan beyin içeren ameliyatlar için daha iyi hazırlık için izin. Bu yöntemlerin uygulamaları nörolojik stimülasyon ve kayıt yanı sıra enjeksiyon dahil ameliyatlar için tasarlanmıştır, ancak sistemin çok yönlülük protokolü, ekstraksiyon teknikleri ve modelleri ameliyatları daha geniş bir alana gelecekteki genişleme sağlar.
Introduction
Primat araştırma insan deneylerine hayvan modellerinden tıbbi araştırma ilerlemesinde önemli bir adım olmuştur1,2. Kemirgen beyinleri ile insan olmayan primatların (NHP)1,2,3arasında büyük bir fizyolojik ve anatomik tutarsızlık olduğu için bu özellikle nöroloji krobilim ve sinir mühendisliği çalışmalarında bu kadar. Kemogenetik, optogenetik ve nöronların genetik modifikasyonu gerektiren kalsiyum görüntüleme gibi gelişmekte olan genetik teknolojiler ile NHP’de nöral fonksiyonu inceleyen nöral mühendislik araştırmaları beyinfonksiyonlarınıanlamak için klinik öncesi bir model olarak özel ilgi kazanmıştır 2,4,5,6,7,8,9,10,11,12,13,14,15,16. Çoğu NHP nörolojik deneylerde, nöroşirürjik önlemler baş direkleri, stimülasyon ve kayıt odaları, elektrot dizileri ve optik pencereler4,5,6,7,10,11,13,14,15,17,18gibi çeşitli cihazların implantasyonu için gereklidir.
Mevcut NHP laboratuvarları genellikle bir baş direğinin bacaklarına uyacak şekilde hayvan yatıştırıcı ve kraniyotomi site etrafında kafatası eğriliği yaklaşık dahil olmak üzere etkisiz uygulamalar içeren çeşitli yöntemler kullanın. Diğer laboratuvarlar cerrahi kafatası kafa sonrası uygun veya bir NHP beyin atlası ve manyetik rezonans (MR) taramaları kafatası eğrilikleri tahmin etmek için denemek için analiz gibi implantasyon için gerekli ölçümleri kazanıyor daha gelişmiş yöntemler istihdam2,10,11,16. NHPs nöroameliyatlar da sıvı enjeksiyonları içerir, ve laboratuvarları genellikle beyin içinde öngörülen enjeksiyon yeri görselleştirmek için hiçbir yolu var2,4,5,13,14 sadece stereotaksik ölçümler ve MR taramaları ile karşılaştırıldığında güvenerek. Bu yöntemler, implantın tüm karmaşık bileşenlerinin fiziksel uyumluluğunu test edememekten kaçınılmaz bir belirsizlik derecesine sahiptir.
Bu nedenle NHP’lerde nöroşirürji planlaması için doğru bir noninvaziv yönteme ihtiyaç vardır. Burada bu hayvanlarda implantasyon ve enjeksiyon ameliyatlarının hazırlanması için bir protokol ve metodoloji salıyoruz. Tüm süreç, beyin ve kafatasının verilerden çıkarılabildiği ve daha sonra 3Boyutlu yazdırılabilen üç boyutlu (3D) modeller oluşturmak için mri taramalarından kaynaklanır. Kafatası ve beyin modelleri kraniyotomi ameliyatları yanı sıra doğruluk artan bir düzeyde baş direkleri için hazırlamak için kombine edilebilir. Beyin modeli de beynin anatomik olarak doğru jel modeli döküm için bir kalıp oluşturmak için kullanılabilir. Jel beyin tek başına ve çıkarılan bir kafatası ile birlikte enjeksiyon ameliyatları çeşitli hazırlamak için kullanılabilir. Aşağıda nöroşirürjik hazırlık için MRG tabanlı alet çantası için gerekli adımların her biri açıklanacaktır.
Protocol
Representative Results
Discussion
Bu makalede, MR taramalarından çıkarılan kafatası ve beyin anatomisi fiziksel ve CAD modellerini kullanarak NHP’lerde nöroameliyatlara hazırlık için bir araç kutusu açıklanmaktadır.
Çıkarılan ve 3D baskılı kafatası ve beyin modelleri özellikle kraniyotomi ameliyatlarının hazırlanması ve baş sonrası implantasyonlar için tasarlanmış olsa da, metodoloji kendini diğer birçok uygulamaya ödünç verir. Daha önce açıklandığı gibi, kafatasının fiziksel modeli am…
Divulgations
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Bu proje, K12HD073945 Ödül Numarası altında Ulusal Sağlık Enstitüleri Eunice Kennedy Shiver Ulusal Çocuk Sağlığı ve İnsani Gelişim Enstitüsü, Washington Ulusal Primat Araştırma Merkezi (WaNPCR, P51 OD010425), Nöroteknoloji Merkezi (CNT, Grant EEC-1028725) altında Ulusal Bilim Vakfı Mühendislik Araştırma Merkezi ve Washington Royalty University ve WashingtonTy Royalty University tarafından desteklenmiştir. Bu proje için Macknik ve Martinez-Conde laboratuvarlarına finansman bir BRAIN Girişimi NSF-NCS Ödülü 1734887 yanı sıra NSF Ödülleri 1523614 & 1829474 ve SUNY Empire Innovator Burslar her profesör geldi. Karam Khateeb’e agarose hazırlığındaki yardımları için, Toni J Huan’a ise teknik yardım için teşekkür ederiz.
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).
