JoVE Journal > Bioengineering
Summary
Abstract
Introduction
Protocol
Résultats
Discussion
Divulgations
Acknowledgements
Materials
References
Traduction automatique
Bio-ingénierie

En verktøykasse for nevral implantatdesign for ikke-menneskelige primater

Published: February 09, 2024
doi:
10.3791/66167
, , , , ,
1Department of Bioengineering, Washington National Primate Research Center,University of Washington, 2Department of Electrical and Computer Engineering, Washington National Primate Research Center,University of Washington, 3Department of Biomedical Engineering,Purdue University

Summary

Denne artikkelen skisserer automatiserte prosesser for ikke-menneskelig primat nevrokirurgisk planlegging basert på magnetisk resonans imaging (MRI) skanner. Disse teknikkene bruker prosedyretrinn i programmerings- og designplattformer for å støtte tilpasset implantatdesign for NHP-er. Gyldigheten av hver komponent kan deretter bekreftes ved hjelp av tredimensjonale (3D) trykte anatomiske modeller i naturlig størrelse.

Abstract

Dette papiret beskriver en intern metode for 3D-hjerne- og hodeskallemodellering fra magnetisk resonansavbildning (MRI) skreddersydd for ikke-menneskelig primat (NHP) nevrokirurgisk planlegging. Denne automatiserte, beregningsbaserte programvarebaserte teknikken gir en effektiv måte å trekke ut hjerne- og hodeskallefunksjoner fra MR-filer i motsetning til tradisjonelle manuelle utvinningsteknikker ved hjelp av bildebehandlingsprogramvare. Videre gir prosedyren en metode for å visualisere hjernen og kraniotomisert hodeskalle sammen for intuitiv, virtuell kirurgisk planlegging. Dette genererer en drastisk reduksjon i tid og ressurser fra de som kreves av tidligere arbeid, som var avhengig av iterativ 3D-utskrift. Hodeskallemodelleringsprosessen skaper et fotavtrykk som eksporteres til modelleringsprogramvare for å designe skreddersydde kranialkamre og hodeposter for kirurgisk implantasjon. Skreddersydde kirurgiske implantater minimerer hull mellom implantatet og skallen som kan introdusere komplikasjoner, inkludert infeksjon eller redusert stabilitet. Ved å implementere disse pre-kirurgiske trinnene, reduseres kirurgiske og eksperimentelle komplikasjoner. Disse teknikkene kan tilpasses andre kirurgiske prosesser, noe som legger til rette for mer effektiv og effektiv eksperimentell planlegging for forskere og potensielt nevrokirurger.

Introduction

Ikke-menneskelige primater (NHP) er uvurderlige modeller for translasjonell medisinsk forskning fordi de er evolusjonært og atferdsmessig lik mennesker. NHP har fått særlig betydning i neural engineering prekliniske studier fordi hjernen deres er svært relevante modeller av nevral funksjon og dysfunksjon1,2,3,4,5,6,7,8. Noen kraftige hjernestimulerings- og opptaksteknikker, som optogenetikk, kalsiumavbildning og andre, serveres best med direkte tilgang til hjernen gjennom kraniale vinduer9,10,11,12,13,14,15,16,17,18,19,20,21,22,23. I NHP oppnås kraniale vinduer ofte med et kammer og en kunstig dura for å beskytte hjernen og støtte langsiktig eksperimentering8,10,12,17,18,24,25,26,27. På samme måte følger hodeposter ofte kamre for å stabilisere og justere hodet under eksperimenter14,15,25,26,28,29,30. Effektiviteten av disse komponentene er sterkt avhengig av hvor godt de passer inn i skallen. En nærmere passform til skallen fremmer beinintegrasjon og kranial helse ved å redusere sannsynligheten for infeksjon, osteonekrose og implantatstabilitet31. Konvensjonelle designmetoder, for eksempel å bøye hodestolpen manuelt under operasjonen25,29 og estimere skallekurvaturen ved å tilpasse sirkler til koronale og sagittale skiver av magnetisk resonans (MR) skanning9,12 kan introdusere komplikasjoner på grunn av upresisjon. Selv de mest presise av disse skaper 1-2 mm mellomrom mellom implantatet og skallen, noe som gir plass til granulasjonsvev å akkumulere29. Disse hullene introduserer i tillegg vanskeligheter med å plassere skruer i kirurgi9, som kompromitterer implantatets stabilitet. Tilpassede implantater har nylig blitt utviklet for å forbedre osseointegrasjon og implantatets levetid9,29,30,32. Ytterligere kostnader har fulgt fremskritt i tilpasset implantatdesign på grunn av avhengigheten av beregningsmodeller. De mest nøyaktige metodene krever sofistikert utstyr som datastyrt tomografi (CT) maskiner i tillegg til MR Imaging (MRI) maskiner30,32,33 og til og med numerisk kontroll (CNC) fresemaskiner for utvikling av implantatprototyper25,29,32,34. Å få tilgang til både MR og CT, spesielt for bruk med NHP, kan ikke være mulig for laboratorier som trenger tilpassede implantater som kranialkamre og hodeposter.

Som et resultat er det behov i samfunnet for billige, nøyaktige og ikke-invasive teknikker for nevrokirurgisk og eksperimentell planlegging som letter utformingen og valideringen av implantater før bruk. Dette papiret beskriver en metode for å generere virtuelle 3D-hjerne- og hodeskallerepresentasjoner fra MR-data for kraniotomi-lokaliseringsplanlegging og utforming av tilpassede kranialkamre og hodeposter som passer til skallen. Denne strømlinjeformede prosedyren gir en standardisert design som kan være til nytte for eksperimentelle resultater og velferden til forsøksdyrene. Bare MR er nødvendig for denne modelleringen fordi både bein og bløtvev er avbildet i MR. I stedet for å bruke en CNC-fresemaskin, kan modeller 3D-skrives ut billig, selv når flere iterasjoner kreves. Dette gjør det også mulig å 3D-printe det endelige designet i biokompatible metaller som titan for implantasjon. I tillegg beskriver vi fabrikasjonen av en kunstig dura, som plasseres inne i kranialkammeret ved implantasjon. Disse komponentene kan valideres pre-kirurgisk ved å montere alle deler på en naturlig størrelse, 3D-trykt modell av skallen og hjernen.

Protocol

Alle prosedyrer som involverer dyr ble godkjent av Institute for Animal Care and Use Committee ved University of Washington. Totalt fire voksne mannlige rhesusmakaker (Macaca mulatta) ble brukt i denne studien. På tidspunktet for MR-oppkjøpet var ape H 7 år, ape L var 6 år, ape C var 8,5 år gammel og ape B var 5,5 år gammel. Apekatter H og L ble implantert med tilpassede kroniske kamre ved 9 års alder. 1. Hodeskalle og hjerneisolasjon (figur 1</strong…

Representative Results

Disse komponentene ble tidligere validert ved hjelp av en kombinasjon av MR-visualiseringer og 3D-printede anatomiske modeller. Ved å sammenligne den automatiserte kraniotomivisualiseringen med den 3D-printede kraniotomien og MR på stedet for kraniotomien, er det tydelig at den virtuelle kraniotomirepresentasjonen nøyaktig gjenspeiler hjerneområdet som kan nås med den spesifiserte kraniotomiplasseringen (figur 2A-F). I t…

Discussion

Dette papiret skisserer en enkel og presis metode for nevrokirurgisk planlegging som ikke bare er gunstig for utviklingen av komponenter som brukes til NHP-kranialvinduimplantasjon, men også overførbar til andre områder av NHP nevrovitenskapsforskning 13,15,25. I forhold til andre nåværende metoder for NHP-implantatplanlegging og design 25,29,30, har denne prosedyren potensial til å bli vedtatt av f…

Divulgations

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

Vi takker Toni Haun, Keith Vogel og Shawn Fisher for teknisk hjelp og støtte. Dette arbeidet ble støttet av University of Washington Mary Gates Endowment (RI), 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
DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

  1. Mitchell, A. S., et al. Continued need for nonhuman primate neuroscience research. Current Biology. 28 (20), R1186-R1187 (2018).
  2. 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).
  3. Tremblay, S., et al. An open resource for nonhuman primate optogenetics. Neuron. 108 (6), 1075-1090 (2020).
  4. 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).
  5. 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).
  6. Yazdan-Shahmorad, A., Silversmith, D. B., Kharazia, V., Sabes, P. N. Targeted cortical reorganization using optogenetics in nonhuman primates. eLife. 7, e31034 (2018).
  7. Macknik, S. L., et al. Advanced circuit and cellular imaging methods in nonhuman primates. The Journal of Neuroscience. 39 (42), 8267-8274 (2019).
  8. Griggs, D. J., Belloir, T., Yazdan-Shahmorad, A. Large-scale neural interfaces for optogenetic actuators and sensors in non-human primates. SPIE BiOS. , (2021).
  9. Yazdan-Shahmorad, A., et al. A Large-scale interface for optogenetic stimulation and recording in nonhuman primates. Neuron. 89 (5), 927-939 (2016).
  10. Ruiz, O., et al. Optogenetics through windows on the brain in the nonhuman primate. Journal of Neurophysiology. 110 (6), 1455-1467 (2013).
  11. 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).
  12. 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).
  13. Bollimunta, A., et al. Head-mounted microendoscopic calcium imaging in dorsal premotor cortex of behaving rhesus macaque. Cell Reports. 35 (11), 109239 (2021).
  14. 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).
  15. 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).
  16. Khateeb, K., et al. A versatile toolbox for studying cortical physiology in primates. Cell Reports Methods. 2 (3), 100183 (2022).
  17. 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).
  18. Belloir, T., et al. Large-scale multimodal surface neural interfaces for primates. iScience. 26 (1), 105866 (2023).
  19. 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).
  20. Griggs, D., Belloir, T., Zhou, J., Yazdan-Shahmorad, A. Convection Enhanced Delivery of Viral Vectors. Vectorology for Optogenetics and Chemogenetics. , (2023).
  21. 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).
  22. 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).
  23. Griggs, D. J., et al. Improving the efficacy and accessibility of intracranial viral vector delivery in nonhuman primates. Pharmaceutics. 14 (7), 1435 (2022).
  24. 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).
  25. 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).
  26. 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).
  27. 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).
  28. 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).
  29. Psarou, E., et al. Modular, cement-free, customized headpost and connector-chamber implants for macaques. Journal of Neuroscience Methods. 393, 109899 (2023).
  30. 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).
  31. Prescott, M. J., Poirier, C. The role of MRI in applying the 3Rs to nonhuman primate neuroscience. NeuroImage. 225, 117521 (2021).
  32. 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).
  33. 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).
  34. Blonde, J. D., et al. Customizable cap implants for neurophysiological experimentation. Journal of Neuroscience Methods. 304, 103-117 (2018).
  35. Ojemann, W. K. S., et al. A MRI-based toolbox for neurosurgical planning in nonhuman primates. Journal of Visualized Experiments. (161), e61098 (2020).
  36. 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)
  37. . stlwrite – Write binary or ascii STL file Available from: https://www.mathworks.com/matlabcentral/fileexchange/36770-stlwrite-write-binary-or-ascii-stl-file (2023)
  38. 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).
  39. 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).
  40. Ortiz-Rios, M., et al. Improved methods for MRI-compatible implants in nonhuman primates. Journal of Neuroscience Methods. 308, 377-389 (2018).

Tags

Neural ImplantBrain ModelingSkull ModelingNonhuman PrimatesNeurosurgical Planning3D Modeling3D PrintingCustom ImplantsCranial ChambersHead PostsMagnetic Resonance ImagingComputational SoftwareSurgical Complications
check_url/fr/66167?article_type=t

Play Video
PDF
DOI
DOWNLOAD MATERIALS LIST
Citer Cet Article
Iritani, R., Belloir, T., Griggs, D. J., Ip, Z., Anderson, Z., Yazdan-Shahmorad, A. A Neural Implant Design Toolbox for Nonhuman Primates. J. Vis. Exp. (204), e66167, doi:10.3791/66167 (2024).
Télécharger la Citation
Réimpressions et Autorisations

View Video

✖

To prove you're not a robot, please enter the text in the image below

CAPTCHA Image
Play CAPTCHA Audio
Refresh Image