JoVE Journal > Bioengineering
Summary
Abstract
Introduction
Protocol
Résultats
Discussion
Divulgations
Acknowledgements
Materials
References
Traduction automatique
Please note that all translations are automatically generated. Click here for the English version.
Bio-ingénierie

En verktygslåda för design av neurala implantat för icke-mänskliga 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

Denna artikel beskriver automatiserade processer för neurokirurgisk planering av icke-mänskliga primater baserat på magnetisk resonanstomografi (MRI). Dessa tekniker använder procedursteg i programmerings- och designplattformar för att stödja anpassad implantatdesign för icke-mänskliga primater. Giltigheten för varje komponent kan sedan bekräftas med hjälp av tredimensionella (3D) utskrivna anatomiska modeller i naturlig storlek.

Abstract

Denna artikel beskriver en intern metod för 3D-modellering av hjärnor och skallar från magnetisk resonanstomografi (MRI) skräddarsydd för neurokirurgisk planering av icke-mänskliga primater (NHP). Denna automatiserade, beräkningsbaserade mjukvarubaserade teknik ger ett effektivt sätt att extrahera hjärn- och skallegenskaper från MRI-filer i motsats till traditionella manuella extraktionstekniker med hjälp av bildbehandlingsprogram. Dessutom ger ingreppet en metod för att visualisera hjärnan och kraniotomerade skallen tillsammans för intuitiv, virtuell kirurgisk planering. Detta genererar en drastisk minskning av tid och resurser jämfört med vad som krävdes av tidigare arbete, som förlitade sig på iterativ 3D-utskrift. Skallmodelleringsprocessen skapar ett fotavtryck som exporteras till modelleringsprogramvara för att designa skräddarsydda kranialkammare och huvudstolpar för kirurgisk implantation. Skräddarsydda kirurgiska implantat minimerar luckor mellan implantatet och skallen som kan leda till komplikationer, inklusive infektion eller minskad stabilitet. Genom att implementera dessa preoperativa steg reduceras kirurgiska och experimentella komplikationer. Dessa tekniker kan anpassas för andra kirurgiska processer, vilket underlättar en mer effektiv och ändamålsenlig experimentell planering för forskare och, potentiellt, neurokirurger.

Introduction

Icke-mänskliga primater är ovärderliga modeller för translationell medicinsk forskning eftersom de evolutionärt och beteendemässigt liknar människor. NHP:er har fått särskild betydelse i prekliniska studier inom neural teknik eftersom deras hjärnor är mycket relevanta modeller för neural funktion och dysfunktion1,2,3,4,5,6,7,8. Vissa kraftfulla hjärnstimulerings- och registreringstekniker, såsom optogenetik, kalciumavbildning och andra, är bäst betjänta med direkt tillgång till hjärnan genom kranialfönster9,10,11,12,13,14,15,16,17,18,19,20,21,22,23. Vid NHP uppnås kranialfönster ofta med en kammare och en konstgjord dura för att skydda hjärnan och stödja långsiktiga experiment8,10,12,17,18,24,25,26,27. På samma sätt följer huvudstolpar ofta med kammare för att stabilisera och rikta in huvudet under experiment14,15,25,26,28,29,30. Effektiviteten hos dessa komponenter är starkt beroende av hur väl de passar in i skallen. En närmare passform till skallen främjar benintegration och kraniell hälsa genom att minska sannolikheten för infektion, osteonekros och implantatinstabilitet31. Konventionella designmetoder, såsom manuell böjning av huvudstolpen under operation25,29 och uppskatta skallens krökning genom att anpassa cirklar till koronala och sagittala skivor av magnetisk resonans (MR) skanningar9,12 kan medföra komplikationer på grund av bristande precision. Även de mest exakta av dessa skapar 1-2 mm mellanrum mellan implantatet och skallen, vilket ger utrymme för granulationsvävnad att ackumuleras29. Dessa luckor medför dessutom svårigheter att placera skruvar vid kirurgi9, vilket äventyrar implantatets stabilitet. Skräddarsydda implantat har på senare tid utvecklats för att förbättra osseointegration och implantatlivslängd9,29,30,32. Ytterligare kostnader har åtföljt framsteg inom anpassad implantatdesign på grund av beroendet av beräkningsmodeller. De mest exakta metoderna kräver sofistikerad utrustning som datortomografimaskiner (CT) utöver MR-avbildningsmaskiner (MRI)30,32,33 och till och med CNC-fräsmaskiner (Computer Numerical Control) för utveckling av implantatprototyper25,29,32,34. Att få tillgång till både MRT och CT, särskilt för användning med NHP, kanske inte är möjligt för laboratorier som behöver skräddarsydda implantat som kranialkammare och huvudstolpar.

Som ett resultat finns det ett behov i samhället av billiga, exakta och icke-invasiva tekniker för neurokirurgisk och experimentell planering som underlättar design och validering av implantat före användning. Denna artikel beskriver en metod för att generera virtuella 3D-representationer av hjärnor och skallar från MR-data för planering av kraniotomiplatser och design av anpassade kranialkammare och huvudstolpar som passar skallen. Denna strömlinjeformade procedur ger en standardiserad design som kan gynna experimentella resultat och försöksdjurens välbefinnande. Endast MRT krävs för denna modellering eftersom både ben och mjukvävnad avbildas i MRT. Istället för att använda en CNC-fräsmaskin kan modeller 3D-printas billigt, även när flera iterationer krävs. Detta gör det också möjligt att 3D-printa den slutliga designen i biokompatibla metaller som titan för implantation. Dessutom beskriver vi tillverkningen av en konstgjord dura, som placeras inuti kranialkammaren vid implantation. Dessa komponenter kan valideras prekirurgiskt genom att passa in alla delar på en 3D-printad modell av skallen och hjärnan i naturlig storlek.

Protocol

Alla procedurer som involverar djur har godkänts av Institute for Animal Care and Use Committee vid University of Washington. Totalt fyra vuxna rhesusmakaker (Macaca mulatta) användes i denna studie. Vid tidpunkten för MRT-undersökningen var apa H 7 år gammal, apa L var 6 år, apa C var 8,5 år och apa B var 5,5 år gammal. Aporna H och L implanterades med anpassade kroniska kammare vid 9 års ålder. 1. Isolering av skalle och hjärna (figur 1…

Representative Results

Dessa komponenter har tidigare validerats med hjälp av en kombination av MRI-visualiseringar och 3D-printade anatomiska modeller. Genom att jämföra den automatiserade kraniotomivisualiseringen med den 3D-printade kraniotomin och MRT på platsen för kraniotomin, är det uppenbart att den virtuella kraniotomirepresentationen korrekt återspeglar den region i hjärnan som kan nås med den angivna kraniotomiplatsen (Figur 2A-F</strong…

Discussion

Denna artikel beskriver en enkel och exakt metod för neurokirurgisk planering som inte bara är fördelaktig för utvecklingen av komponenter som används för NHP kranial fönsterimplantation utan också överförbar till andra områden av NHP neurovetenskaplig forskning 13,15,25. I jämförelse med andra nuvarande metoder för planering och design av NHP-implantat 25,29,30 har denna procedur…

Divulgations

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

Vi vill tacka Toni Haun, Keith Vogel och Shawn Fisher för deras tekniska hjälp och support. Detta arbete stöddes av 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 (EEG-1028725, Z.A., D.J.G.) och 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