En værktøjskasse til neuralt implantatdesign til ikke-menneskelige primater
Summary
Dette papir skitserer automatiserede processer til ikke-menneskelig primat neurokirurgisk planlægning baseret på magnetisk resonansbilleddannelse (MRI) scanninger. Disse teknikker bruger proceduremæssige trin i programmerings- og designplatforme til at understøtte tilpasset implantatdesign til NHP’er. Gyldigheden af hver komponent kan derefter bekræftes ved hjælp af tredimensionelle (3D) trykte anatomiske modeller i naturlig størrelse.
Abstract
Dette papir beskriver en intern metode til 3D-hjerne- og kraniemodellering fra magnetisk resonansbilleddannelse (MRI) skræddersyet til neurokirurgisk planlægning af ikke-menneskelige primater (NHP). Denne automatiserede, beregningsmæssige softwarebaserede teknik giver en effektiv måde at udtrække hjerne- og kraniefunktioner fra MR-filer i modsætning til traditionelle manuelle ekstraktionsteknikker ved hjælp af billedbehandlingssoftware. Desuden giver proceduren en metode til at visualisere hjernen og kraniotomiseret kraniet sammen til intuitiv, virtuel kirurgisk planlægning. Dette genererer en drastisk reduktion i tid og ressourcer fra dem, der kræves af tidligere arbejde, som var afhængig af iterativ 3D-udskrivning. Kraniemodelleringsprocessen skaber et fodaftryk, der eksporteres til modelleringssoftware til at designe skræddersyede kraniekamre og hovedstolper til kirurgisk implantation. Skræddersyede kirurgiske implantater minimerer mellemrum mellem implantatet og kraniet, der kan introducere komplikationer, herunder infektion eller nedsat stabilitet. Ved at implementere disse prækirurgiske trin reduceres kirurgiske og eksperimentelle komplikationer. Disse teknikker kan tilpasses til andre kirurgiske processer, hvilket letter mere effektiv og effektiv eksperimentel planlægning for forskere og potentielt neurokirurger.
Introduction
Ikke-menneskelige primater (NHP’er) er uvurderlige modeller for translationel medicinsk forskning, fordi de evolutionært og adfærdsmæssigt ligner mennesker. NHP’er har fået særlig betydning i neural engineering prækliniske undersøgelser, fordi deres hjerner er yderst relevante modeller af neurale funktioner og dysfunktion1,2,3,4,5,6,7,8. Nogle kraftfulde hjernestimulerings- og registreringsteknikker, såsom optogenetik, calciumbilleddannelse og andre, serveres bedst med direkte adgang til hjernen gennem kranievinduer9,10,11,12,13,14,15,16,17,18,19,20,21,22,23. I NHP’er opnås kranievinduer ofte med et kammer og en kunstig dura for at beskytte hjernen og understøtte langsigtede eksperimenter8,10,12,17,18,24,25,26,27. Ligeledes ledsager hovedstolper ofte kamre for at stabilisere og justere hovedet under eksperimenter14,15,25,26,28,29,30. Effektiviteten af disse komponenter er stærkt afhængig af, hvor godt de passer ind i kraniet. En tættere pasform til kraniet fremmer knogleintegration og kranial sundhed ved at mindske sandsynligheden for infektion, osteonekrose og implantat ustabilitet31. Konventionelle designmetoder, såsom manuel bøjning af hovedstolpen under operationen25,29 og estimering af kraniets krumning ved at montere cirkler til koronale og sagittale skiver af magnetisk resonans (MR) scanninger9,12 kan introducere komplikationer på grund af unøjagtighed. Selv de mest præcise af disse skaber 1-2 mm mellemrum mellem implantatet og kraniet, hvilket giver plads til, at granuleringsvæv kan akkumuleres29. Disse huller introducerer desuden vanskeligheder med at placere skruer i kirurgi9, hvilket kompromitterer implantatets stabilitet. Tilpassede implantater er for nylig blevet udviklet til at forbedre osseointegration og implantatets levetid9,29,30,32. Yderligere omkostninger har ledsaget fremskridt inden for brugerdefineret implantatdesign på grund af afhængigheden af beregningsmodeller. De mest nøjagtige metoder kræver sofistikeret udstyr såsom computertomografi (CT) maskiner ud over MR Imaging (MRI) maskiner30,32,33 og endda computer numerisk kontrol (CNC) fræsemaskiner til udvikling af implantatprototyper25,29,32,34. At få adgang til både MR og CT, især til brug med NHP’er, er muligvis ikke muligt for laboratorier, der har brug for specialtilpassede implantater som kraniekamre og hovedstolper.
Som følge heraf er der behov i samfundet for billige, nøjagtige og ikke-invasive teknikker til neurokirurgisk og eksperimentel planlægning, der letter design og validering af implantater inden brug. Dette papir beskriver en metode til generering af virtuelle 3D-hjerne- og kranierepræsentationer fra MR-data til kraniotomiplaceringsplanlægning og design af brugerdefinerede kraniekamre og hovedstolper, der passer til kraniet. Denne strømlinede procedure giver et standardiseret design, der kan gavne eksperimentelle resultater og forsøgsdyrenes velfærd. Kun MR er nødvendig for denne modellering, fordi både knogle og blødt væv er afbildet i MR. I stedet for at bruge en CNC-fræsemaskine kan modeller 3D-printes billigt, selv når der kræves flere iterationer. Dette gør det også muligt at 3D-printe det endelige design i biokompatible metaller såsom titanium til implantation. Derudover beskriver vi fremstillingen af en kunstig dura, som placeres inde i kraniekammeret ved implantation. Disse komponenter kan valideres prækirurgisk ved at montere alle dele på en 3D-printet model af kraniet og hjernen i naturlig størrelse.
Protocol
Representative Results
Discussion
Dette papir skitserer en ligetil og præcis metode til neurokirurgisk planlægning, der ikke kun er gavnlig for udviklingen af komponenter, der anvendes til NHP kranial vinduesimplantation, men også kan overføres til andre områder af NHP neurovidenskabelig forskning 13,15,25. I sammenligning med andre nuværende metoder til NHP-implantatplanlægning og design 25,29,30 har denne procedure potentialet til at blive vedtaget af f…
Divulgations
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Vi vil gerne takke Toni Haun, Keith Vogel og Shawn Fisher for deres tekniske hjælp og support. Dette arbejde blev støttet af University of Washington Mary Gates Endowment (R.I.), National Institute of Health NIH 5R01NS116464 (T.B., A.Y.), NIH R01 NS119395 (D.J.G., A.Y.), Washington National Primate Research Center (WaNPRC, NIH P51 OD010425, U42 OD011123), Center for Neurotechnology (EEC-1028725, Z.A., D.J.G.) og Weill Neurohub (Z. I.).
Materials
| 3D Printing Software (Simplify 3D) (Paid) | Simplify3D | Version 4.1 | Used for 3D printing using MakerGear printer |
| C-Clamp | Bessey | CM22 | Used for artificial dura fabrication, 2-1/2 Inch Capacity, 1-3/8 Inch Throat |
| Formlabs Form 3+ 3D Printer | Formlabs | Form 3+ | Used for precise 3D printing |
| MakerGear M2 3D Printer | MakerGear | M2 revG | Used for 3D printing implant prototypes |
| MATLAB (Paid) | MathWorks | R2021b | Used for brain and skull isolation, virtual craniotomy visualization and skull STL reduction |
| Phillips Acheiva MRI System | Philips | 4522 991 19391 | Used for non-human primate imaging |
| Photopolymer Resin | Formlabs | FLGPGR04 | 1L, Grey, used for precise 3D prints with Formlabs printer |
| PreForm Print Preparation Software | Formlabs | Version 2.17.0 | Used for 3D printing with Formlabs printer |
| Printing Filament (PLA) | MatterHackers | 88331 | PLA 1.75 mm White. Used for 3D printing with MakerGear printer |
| Silicone CAT-1300 | Shin-Etsu | Used for artificial dura fabrication | |
| Silicone KE1300-T | Shin-Etsu | Used for artificial dura fabrication | |
| SolidWorks (Paid) | Dassault Systems | 2020 | Used for chamber and headpost design |
| Syn.Flex-S Multicoil | Philips | 45221318123 | Used for non-human primate imaging |
References
- Mitchell, A. S., et al. Continued need for nonhuman primate neuroscience research. Current Biology. 28 (20), R1186-R1187 (2018).
- Stanis, N., Khateeb, K., Zhou, J., Wang, R. K., Yazdan-Shahmorad, A. Protocol to study ischemic stroke by photothrombotic lesioning in the cortex of nonhuman primates. STAR Protocols. 4 (3), 102496 (2023).
- Tremblay, S., et al. An open resource for nonhuman primate optogenetics. Neuron. 108 (6), 1075-1090 (2020).
- Zhou, J., et al. Neuroprotective effects of electrical stimulation following ischemic stroke in nonhuman primates. 2022 44th Annual International Conference of the IEEE Engineering in Medicine & Biology Society (EMBC). 2022, 3085-3088 (2022).
- Yao, Z., Yazdan-Shahmorad, A. A quantitative model for estimating the scale of photochemically induced ischemic stroke. 2018 40th Annual International Conference of the IEEE Engineering in Medicine and Biology Society (EMBC). 2018, 2744-2747 (2018).
- Yazdan-Shahmorad, A., Silversmith, D. B., Kharazia, V., Sabes, P. N. Targeted cortical reorganization using optogenetics in nonhuman primates. eLife. 7, e31034 (2018).
- Macknik, S. L., et al. Advanced circuit and cellular imaging methods in nonhuman primates. The Journal of Neuroscience. 39 (42), 8267-8274 (2019).
- Griggs, D. J., Belloir, T., Yazdan-Shahmorad, A. Large-scale neural interfaces for optogenetic actuators and sensors in non-human primates. SPIE BiOS. , (2021).
- Yazdan-Shahmorad, A., et al. A Large-scale interface for optogenetic stimulation and recording in nonhuman primates. Neuron. 89 (5), 927-939 (2016).
- Ruiz, O., et al. Optogenetics through windows on the brain in the nonhuman primate. Journal of Neurophysiology. 110 (6), 1455-1467 (2013).
- Griggs, D. J., Khateeb, K., Philips, S., Chan, J. W., Ojemann, W., Yazdan-Shahmorad, A. Optimized large-scale optogenetic interface for nonhuman primates. SPIE BiOS. , (2019).
- Yazdan-Shahmorad, A., Diaz-Botia, C., Hanson, T., Ledochowitsch, P., Maharabiz, M. M., Sabes, P. N. Demonstration of a setup for chronic optogenetic stimulation and recording across cortical areas in non-human primates. SPIE BiOS. , (2015).
- Bollimunta, A., et al. Head-mounted microendoscopic calcium imaging in dorsal premotor cortex of behaving rhesus macaque. Cell Reports. 35 (11), 109239 (2021).
- Hacking, S. A., et al. Surface roughness enhances the osseointegration of titanium headposts in nonhuman primates. Journal of Neuroscience Methods. 211 (2), 237-244 (2012).
- Romero, M. C., Davare, M., Armendariz, M., Janssen, P. Neural effects of transcranial magnetic stimulation at the single-cell level. Nature Communications. 10 (1), 2642 (2019).
- Khateeb, K., et al. A versatile toolbox for studying cortical physiology in primates. Cell Reports Methods. 2 (3), 100183 (2022).
- Griggs, D. J., Khateeb, K., Zhou, J., Liu, T., Wang, R., Yazdan-Shahmorad, A. Multi-modal artificial dura for simultaneous large-scale optical access and large-scale electrophysiology in nonhuman primate cortex. Journal of Neural Engineering. 18 (5), 055006 (2021).
- Belloir, T., et al. Large-scale multimodal surface neural interfaces for primates. iScience. 26 (1), 105866 (2023).
- Khateeb, K., et al. A practical method for creating targeted focal ischemic stroke in the cortex of nonhuman primates. 2019 41st Annual International Conference of the IEEE Engineering in Medicine and Biology Society (EMBC). , 3515-3518 (2019).
- Griggs, D., Belloir, T., Zhou, J., Yazdan-Shahmorad, A. Convection Enhanced Delivery of Viral Vectors. Vectorology for Optogenetics and Chemogenetics. , (2023).
- 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), e59232 (2019).
- 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).
- Griggs, D. J., et al. Improving the efficacy and accessibility of intracranial viral vector delivery in nonhuman primates. Pharmaceutics. 14 (7), 1435 (2022).
- Chen, L. M., Heider, B., Williams, G. V., Healy, F. L., Ramsden, B. M., Roe, A. W. A chamber and artificial dura method for long-term optical imaging in the monkey. Journal of Neuroscience Methods. 113 (1), 41-49 (2002).
- Adams, D. L., Economides, J. R., Jocson, C. M., Horton, J. C. A Biocompatible titanium headpost for stabilizing behaving monkeys. Journal of Neurophysiology. 98 (2), 993-1001 (2007).
- Bloch, J., Greaves-Tunnell, A., Shea-Brown, E., Harchaoui, Z., Shojaie, A., Yazdan-Shahmorad, A. Network structure mediates functional reorganization induced by optogenetic stimulation of nonhuman primate sensorimotor cortex. iScience. 25 (5), 104285 (2022).
- Bloch, J. A., Khateeb, K., Silversmith, D. B., O’Doherty, J. E., Sabes, P. N., Yazdan-Shahmorad, A. Cortical stimulation induces network-wide coherence change in nonhuman primate somatosensory cortex. 2019 41st Annual International Conference of the IEEE Engineering in Medicine and Biology Society (EMBC). , 6446-6449 (2019).
- Vnek, N., Ramsden, B. M., Hung, C. P., Goldman-Rakic, P. S., Roe, A. W. Optical imaging of functional domains in the cortex of the awake and behaving monkey. Proceedings of the National Academy of Sciences. 96 (7), 4057-4060 (1999).
- Psarou, E., et al. Modular, cement-free, customized headpost and connector-chamber implants for macaques. Journal of Neuroscience Methods. 393, 109899 (2023).
- Chen, X., Possel, J. K., Wacongne, C., van Ham, A. F., Klink, P. C., Roelfsema, P. R. 3D printing and modelling of customized implants and surgical guides for nonhuman primates. Journal of Neuroscience Methods. 286, 38-55 (2017).
- Prescott, M. J., Poirier, C. The role of MRI in applying the 3Rs to nonhuman primate neuroscience. NeuroImage. 225, 117521 (2021).
- Basso, M. A., et al. Using non-invasive neuroimaging to enhance the care, well-being and experimental outcomes of laboratory nonhuman primates (monkeys). NeuroImage. 228, 117667 (2021).
- Ahmed, Z., Agha, N., Trunk, A., Berger, M., Gail, A. Universal guide for skull extraction and custom-fitting of implants to continuous and discontinuous skulls. eNeuro. 9 (3), (2022).
- Blonde, J. D., et al. Customizable cap implants for neurophysiological experimentation. Journal of Neuroscience Methods. 304, 103-117 (2018).
- Ojemann, W. K. S., et al. A MRI-based toolbox for neurosurgical planning in nonhuman primates. Journal of Visualized Experiments. (161), e61098 (2020).
- Make STL of 3D array (Optimal for 3D printing). MathWorks Available from: https://www.mathworks.com/matlabcentral/fileexchange/68794-make-stl-of-3d-array-optimal-for-3d-printing (2018)
- . stlwrite – Write binary or ascii STL file Available from: https://www.mathworks.com/matlabcentral/fileexchange/36770-stlwrite-write-binary-or-ascii-stl-file (2023)
- Michikawa, T., Suzuki, H., Moriguchi, M., Ogihara, N., Kondo, O., Kobayashi, Y. Automatic extraction of endocranial surfaces from CT images of crania. PLoS One. 12 (4), 0168516 (2017).
- Overton, J. A., Cooke, D. F., Goldring, A. B., Lucero, S. A., Weatherford, C., Recanzone, G. H. Improved methods for acrylic-free implants in nonhuman primates for neuroscience research. Journal of Neurophysiology. 118 (6), 3252-3270 (2017).
- Ortiz-Rios, M., et al. Improved methods for MRI-compatible implants in nonhuman primates. Journal of Neuroscience Methods. 308, 377-389 (2018).
