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

Een gereedschapskist voor het ontwerpen van neurale implantaten voor niet-menselijke primaten

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

Dit artikel schetst geautomatiseerde processen voor neurochirurgische planning van niet-menselijke primaten op basis van MRI-scans (magnetic resonance imaging). Deze technieken maken gebruik van procedurele stappen in programmeer- en ontwerpplatforms om op maat gemaakt implantaatontwerp voor NHP’s te ondersteunen. De validiteit van elk onderdeel kan vervolgens worden bevestigd met behulp van driedimensionale (3D) geprinte levensgrote anatomische modellen.

Abstract

Dit artikel beschrijft een interne methode voor 3D-hersen- en schedelmodellering op basis van magnetische resonantiebeeldvorming (MRI) op maat gemaakt voor neurochirurgische planning van niet-menselijke primaten (NHP). Deze geautomatiseerde, op computationele software gebaseerde techniek biedt een efficiënte manier om hersen- en schedelkenmerken uit MRI-bestanden te extraheren, in tegenstelling tot traditionele handmatige extractietechnieken met behulp van beeldvormingssoftware. Bovendien biedt de procedure een methode om de hersenen en de schedel samen te visualiseren voor intuïtieve, virtuele chirurgische planning. Dit genereert een drastische vermindering van tijd en middelen ten opzichte van die van eerder werk, dat afhankelijk was van iteratief 3D-printen. Het schedelmodelleringsproces creëert een voetafdruk die wordt geëxporteerd naar modelleringssoftware om op maat gemaakte schedelkamers en hoofdposten te ontwerpen voor chirurgische implantatie. Op maat gemaakte chirurgische implantaten minimaliseren openingen tussen het implantaat en de schedel die complicaties kunnen veroorzaken, waaronder infectie of verminderde stabiliteit. Door deze preoperatieve stappen uit te voeren, worden chirurgische en experimentele complicaties verminderd. Deze technieken kunnen worden aangepast voor andere chirurgische processen, waardoor onderzoekers en mogelijk neurochirurgen efficiënter en effectiever experimenteel kunnen plannen.

Introduction

Niet-menselijke primaten (NHP’s) zijn modellen van onschatbare waarde voor translationeel medisch onderzoek omdat ze evolutionair en gedragsmatig vergelijkbaar zijn met mensen. NHP’s zijn bijzonder belangrijk geworden in preklinische studies naar neurale engineering omdat hun hersenen zeer relevante modellen zijn van neurale functie en disfunctie1,2,3,4,5,6,7,8. Sommige krachtige hersenstimulatie- en opnametechnieken, zoals optogenetica, calciumbeeldvorming en andere, zijn het best gediend met directe toegang tot de hersenen via schedelvensters9,10,11,12,13,14,15,16,17,18,19,20,21,22,23. In NHP’s worden schedelvensters vaak bereikt met een kamer en een kunstmatige dura om de hersenen te beschermen en langdurige experimenten te ondersteunen8,10,12,17,18,24,25,26,27. Evenzo vergezellen hoofdposten vaak kamers om de kop tijdens experimenten te stabiliseren en uit te lijnen14,15,25,26,28,29,30. De effectiviteit van deze componenten is sterk afhankelijk van hoe goed ze in de schedel passen. Een nauwere pasvorm op de schedel bevordert de botintegratie en de gezondheid van de schedel door de kans op infectie, osteonecrose en implantaatinstabiliteit te verkleinen31. Conventionele ontwerpmethoden, zoals het handmatig buigen van de hoofdpaal tijdens een operatie25,29 en het schatten van de kromming van de schedel door cirkels aan te brengen op coronale en sagittale plakjes van magnetische resonantie (MR) -scans9,12 kan complicaties veroorzaken als gevolg van onnauwkeurigheid. Zelfs de meest nauwkeurige hiervan creëren openingen van 1-2 mm tussen het implantaat en de schedel, waardoor er ruimte is voor granulatieweefsel om zich op te hopen29. Deze openingen introduceren bovendien problemen bij het plaatsen van schroeven bij operaties9, waardoor de stabiliteit van het implantaat in gevaar komt. Recentelijk zijn op maat gemaakte implantaten ontwikkeld om de osseo-integratie en de levensduur van implantaten te verbeteren9,29,30,32. Extra kosten zijn gepaard gegaan met vooruitgang in het ontwerp van implantaten op maat vanwege de afhankelijkheid van computermodellen. De meest nauwkeurige methoden vereisen geavanceerde apparatuur zoals computertomografie (CT)-machines naast MR Imaging (MRI)-machines30,32,33 en zelfs CNC-freesmachines (Computer Numerical Control) voor het ontwikkelen van prototypes van implantaten25,29,32,34. Het verkrijgen van toegang tot zowel MRI als CT, met name voor gebruik met NHP’s, is mogelijk niet haalbaar voor laboratoria die op maat gemaakte implantaten nodig hebben, zoals schedelkamers en hoofdposten.

Als gevolg hiervan is er in de gemeenschap behoefte aan goedkope, nauwkeurige en niet-invasieve technieken voor neurochirurgische en experimentele planning die het ontwerp en de validatie van implantaten voorafgaand aan gebruik vergemakkelijken. Dit artikel beschrijft een methode voor het genereren van virtuele 3D-hersen- en schedelrepresentaties op basis van MR-gegevens voor craniotomielocatieplanning en het ontwerp van aangepaste schedelkamers en hoofdposten die bij de schedel passen. Deze gestroomlijnde procedure zorgt voor een gestandaardiseerd ontwerp dat de experimentele resultaten en het welzijn van de proefdieren ten goede kan komen. Voor deze modellering is alleen MRI nodig, omdat in MRI zowel bot als zacht weefsel worden afgebeeld. In plaats van een CNC-freesmachine te gebruiken, kunnen modellen goedkoop 3D-geprint worden, zelfs als er meerdere iteraties nodig zijn. Dit maakt het ook mogelijk om het uiteindelijke ontwerp te 3D-printen in biocompatibele metalen zoals titanium voor implantatie. Daarnaast beschrijven we de fabricage van een kunstmatige dura, die bij implantatie in de schedelkamer wordt geplaatst. Deze componenten kunnen preoperatief worden gevalideerd door alle onderdelen op een levensgroot, 3D-geprint model van de schedel en hersenen te plaatsen.

Protocol

Alle procedures waarbij dieren betrokken waren, werden goedgekeurd door het Institute for Animal Care and Use Committee van de Universiteit van Washington. In dit onderzoek werden in totaal vier volwassen mannelijke resusapen (Macaca mulatta) gebruikt. Op het moment van MRI-acquisitie was aap H 7 jaar oud, aap L was 6 jaar oud, aap C was 8.5 jaar oud en aap B was 5.5 jaar oud. Apen H en L werden op 9-jarige leeftijd geïmplanteerd met op maat gemaakte chronische kamers. 1. Isola…

Representative Results

Deze componenten werden eerder gevalideerd met behulp van een combinatie van MRI-visualisaties en 3D-geprinte anatomische modellen. Door de geautomatiseerde craniotomievisualisatie te vergelijken met de 3D-geprinte craniotomie en de MRI op de locatie van de craniotomie, is het duidelijk dat de virtuele craniotomieweergave nauwkeurig het hersengebied weergeeft dat toegankelijk is met de gespecificeerde craniotomielocatie (Figuur 2A-F</…

Discussion

Dit artikel schetst een eenvoudige en nauwkeurige methode van neurochirurgische planning die niet alleen gunstig is voor de ontwikkeling van componenten die worden gebruikt voor NHP-implantatie van schedelvensters, maar ook overdraagbaar is naar andere gebieden van NHP-neurowetenschappelijk onderzoek 13,15,25. In vergelijking met andere huidige methoden voor het plannen en ontwerpen van NHP-implantaten<su…

Divulgations

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

We willen Toni Haun, Keith Vogel en Shawn Fisher bedanken voor hun technische hulp en ondersteuning. Dit werk werd ondersteund door de Mary Gates Endowment (R.I.), National Institute of Health NIH 5R01NS116464 (T.B., A.Y.), NIH R01 NS119395 (D.J.G., A.Y), het Washington National Primate Research Center (WaNPRC, NIH P51 OD010425, U42 OD011123), het Center for Neurotechnology (EEC-1028725, Z.A., D.J.G.) en 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