אימוני ניתוח ההשתלה של מערכים Neocortical Microelectrode באמצעות מודל של פורמלדהיד-קבוע גווייה אנושי
Summary
תיכננו הליך שבו גופה אנושית-קבוע פורמלדהיד משמש כדי לסייע נוירוכירורגים להכשרת ההשתלה של מערכים microelectrode לתוך קליפת של המוח האנושי.
Abstract
פרוטוקול זה מתאר הליך כדי לסייע מנתחים להכשרת ההשתלה של מערכים microelectrode לתוך קליפת של המוח האנושי. ההתקדמות הטכנולוגית האחרונות אפשרה הזיוף של מערכים microelectrode המאפשרות הקלטה הפעילות של נוירונים בודדים מרובים קליפת של המוח האנושי. מערכים אלה יש פוטנציאל להביא תובנה ייחודי על גבי ה”מפה עצביים של תפקוד מוחי על בריאות ומחלה. יתר על כן, הזיהוי ופענוח של הפעילות העצבית ופרסומיה פותח את האפשרות להקמת ממשקים מוח-מחשב, ובכך עשוי לעזור לשחזר איבד פונקציות נוירולוגיות. ההשתלה של מערכים neocortical microelectrode הוא הליך פולשני הדורשים גולגולת centimetric הארץ, החשיפה של המשטח בקליפת המוח; לפיכך, ההליך יבוצע ע י נוירוכירורג שלמאחה מיומן. כדי לספק הזדמנות עבור תרגולי, תיכננו פרוצדורה המבוססת על מודל אנושי גווייה. השימוש של גופה אנושית פורמלדהיד-קבוע עוקף את הקשיים מעשית, מוסרית וכלכלית של תרגול כירורגי בבעלי חיים (בעלי-חיים במיוחד פרימטים) תוך שמירה על המבנה מאקרוסקופית של הראש, הגולגולת, קרומי המוח ולתקן מוחין פני השטח ומאפשר מציאותית, כמו חדר ניתוח מיצוב ומכשור. יתר על כן, השימוש של גופה האנושי הוא קרוב יותר יומי הקליני מאשר כל דגם אנושיות. החסרונות העיקריים של הסימולציה cadaveric הם העדר של מוחי pulsation, מחזור הדם, נוזל מוחי שדרתי. אנו ממליצים כי מודל פורמלדהיד-קבוע גווייה האנושי היא גישה נאותה, מעשי וחסכונית להבטיח הכשרה מתאימה כירורגי לפני השתלת microelectrode מערכים בקליפת אדם חי.
Introduction
בשנים האחרונות ראית את הפיתוח של פתרונות טכנולוגיים לאתגר של הקלטת הפעילות של נוירונים בודדים מרובים בסלון המוח1,2,3. Microelectrode מבוססי סיליקון מערכים לבצע באופן דומה כדי microelectrodes חוט רגיל מבחינת מאפייני אות, הם יכולים להקליט כאן בין עשרות למאות נוירונים בפיסה קטנה של רקמת המוח4,5, 6 , 7. microelectrode מערכים אפשרו למדענים להקים את ההתכתבות בין פעילות עצבית בקליפת המנוע העיקרי של קופים הזרוע תנועות8, אשר בתורו סיפקה דחיפה להתפתחות של מוח-מחשב ממשקים (BCIs)9.
מערכים microelectrode השתמשו בבני אדם בשני מצבים: שתלים כרונית כדי לשלוט BCIs וכן שתלים למחצה כרונית ללמוד את הפעילות של נוירונים בודדים בחולים הסובלים מאפילפסיה. השתלים כרונית, מיקוד הייצוג פונקציונלי של היד בקליפת מנוע ראשי, אפשרו חולים הסובלים tetraplegia כדי לשלוט בתנועה של זרוע רובוטית או של המחשב סמנים10,11,12 ,13. השתלים למחצה כרונית, מוכנס יחד עם אלקטרודות לשטף electrocorticography (ECOG) בחולים עם אפילפסיה עמידים שאינם מועמדים לניתוח אפילפסיה14, לאפשר הקלטות יחיד-יחידה לפני, במהלך ואחרי התקפים, החלו לשפוך אור על הפעילות של הנוירונים יחיד במהלך, בין התקפים אפילפטיים15,16,17,18,19. מערכים microelectrode יש פוטנציאל לשפר באופן משמעותי את הבנתנו איך המוח מתפקד על-ידי יצירת קישור בין הפעילות של הנוירונים, מצד אחד, תפיסות, תנועות ואת מחשבות של בני האדם, גם בריאות וגם ב המחלה, על אחרים20,21.
מערכים מבוססי סיליקון microelectrode זמינים כעת מסחרית, השימוש בהם בבני אושרה על ידי הרשויות הרגולטוריות בארה בהסימן אפילפסיה למחצה כרונית. עם זאת, התקנים אלה הינם פולשניים, חייב להיות מוכנס לתוך המוח. ההשלכות השליליות של טכניקה ההכנסה פסולים, מעבר הכישלון של ההתקן כדי להקליט פעילות. עצבית, כוללים דימום מוחי, זיהום, עם הפוטנציאל של תפקוד נוירולוגי לטווח ארוך או קבועה. שיעור סיבוך של microelectrode מערך ההשתלה אמנם כרגע לא ידוע, שיעור פוטנציאל לסיבוכים רציניים במהלך ההשתלה של macroelectrodes תוך-גולגולתי אלקטרואנצפלוגרם (EEG) הוא 1-5%22, 23. לכן, ההשתלה נאותה של מערכים microelectrode דורש מיומנויות נוירולוגי מקיף והן נוהל הדרכה.
הגישות זמין עבור מנתחים לחדד את כישורי שלהם עם מערכים microelectrode בסביבה בטוחה כוללים יונקים שאינם בני אדם ובגופות אנוש. מודל האימון אידיאלי לשחזר בנאמנות את גודל ועובי של הגולגולת האנושית; הקשיחות ואת כלי הדם הסתעפויות של דורה; דפוס gyrification, עקביות, pulsation של המוח האנושי; הנוכחות של מחזור הדם, נוזל מוחי שדרתי; ואת המיקום הכללי של הנושא בחדר ניתוח (או אר)-כזה בסביבה. לפיכך, מודלים בעלי חיים צריכים להיות בגודל מספיק כדי לספק חוויה משמעותית המנתחים. פרימטים אנושיות גדולות הקרוב ביותר, אבל ושימושם עבור תרגולי בלתי נסבלת שניהם מנקודת מבט מוסרית, כי הם יקרים. מכרסמים אל תזין שיקול בשל גודלם הקטן; שימוש אפילו חתולים או ארנבים מרמז מתפצל באופן משמעותי מפני הסביבה או דמוי.
גופות של בני אדם מייצגות חלופה אטרקטיבית. יתרונם כוללים את גודל חיים כמו צורת הראש והמוח ועל האפשרות של הגדרת תרגולי סביבה או דמוי. הברור ביותר של מצב מציאותי מפליגות העדר הפעימות מוחי דימום ואת השינויים היבט ו consistence של רקמות הגוף הספציפיים הטכניקה שבה נעשה שימוש עבור שימור גופה24. גופות טריים מוקפאים לשמר את עקביות והגמישות של רבים איברים ורקמות במידה מסוימת, אך יש מספר חסרונות: הם מתחילים משפילים ברגע מפשיר מתחיל, כך המוח הופך להיות מושפל גם עבור הכניסה של microelectrode מערך להתבצע באופן מעשי, והם הם משאב נדיר ויקר יחסית. פורמלדהיד-קבוע גוויות, מצד שני, הן במחיר נוח יותר, זמינים עמיד הרבה יותר, על חשבון רקמות מוקשח עקביות.
כאן, אנחנו? ליצור הליך באמצעות מודל של פורמלדהיד-קבוע גווייה אנושי לספק הכשרה נוירוכירורגיים ההשתלה של מערך neocortical microelectrode. הגישה שלנו מאפשרת מציאותית, או כמו מיצוב ומכשור; ביצוע ואז durotomy וחושף פני neocortical; הצמדת אלקטרודה הכן לעצם הגולגולת השכנות את הניתוח; ולהוספה של המערך microelectrode לתוך קליפת impactor פנאומטי25. אנושות, זה מאפשר מנתחים לתרגל את יישור מדויק של המערך microelectrode (אשר מחובר אל המעמד אלקטרודה על ידי צרור של חוטי זהב מבודד בנפרד) מקביל פני השטח neocortical26. פרוטוקול שלנו בנאמנות משכפל את הסימן של microelectrode השרשה מערך יחד עם ההשתלה ECOG בחולים המועמדים לניתוח אפילפסיה. הפרטים של הניתוח השרשה מושפעים באופן משמעותי הסוג המדויק של מערך microelectrode; כאן, אנו מתארים את ההליך עבור מערך כי לאחרונה קיבלה את אישור רגולטורי לשימוש בבני אדם בארה ב. המערך יוטה כביכול כוללת של 4 x 4 מ מ, 100 microelectrode רשת; הדום transcutaneous שמצורף לטבלה חיצוני של הגולגולת; וחיבור צרור חוט השני.
Protocol
Representative Results
Discussion
המודל פורמלדהיד-קבוע גווייה האנושי והפרוטוקול כירורגי המתוארים כאן לשכפל את הליך כירורגי של השתלת microelectrode מערכים לתוך קליפת המוח האנושי. כל שלב של התהליך, לרבות המיקום של המערך microelectrode והוספה שלו עם פנאומטי מכניס תוספות, המשך כמעט באותו אופן כמו מטופל אמיתי, עם היוצא מן הכלל הזה pulsation מוחי…
Divulgazioni
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
המחברים מודים על ד ר רוב פרנקלין (Blackrock מיקרוסיסטמס), פרופסור Margitta Seeck (המחלקה לנוירולוגיה, בתי חולים אוניברסיטאיים ג’נבה, ז’נבה, שוויץ), ד ר אנדריאה ברטולי, פרופסור קרל Schaller (המחלקה הנוירוכירורגית, אוניברסיטת ז’נבה בתי חולים, ז’נבה, שוויץ), מר Florent Burdin ואת פרופסור ג’ון פ’ Donoghue (מרכז Wyss ביו, Neuroengineering, ז’נבה, שוויץ) על תמיכתם בהכנת העבודה הנוכחית.
Materials
| Mayfield skull clamp | Integra LifeSciences, Cincinnati, OH | A1059 | |
| Midas Rex MR7 system for craniotomy | Medtronic, Minneapolis, MN | EC300 | |
| Dura scissors | Sklar Surgical Instruments, West Chester, PA | 22-2742 | |
| Self-tapping bone screws | OrthoMed Inc., Tigard, OR | OM SYN211806 | |
| Microelectrode array and pedestal | Blackrock Microsystems, Salt Lake City, UT | LB-0612 | Mock-up arrays are available from the manufacturer upon request |
| Pneumatic impacter | Blackrock Microsystems, Salt Lake City, UT | LB-0088 | |
| 64-channel electrocorticography grid | Ad-Tech Medical Instrument Corporation, Racine, WI | FG64C-SP10X-0C6 | Optional |
Riferimenti
- Campbell, P. K., Jones, K. E., Huber, R. J., Horch, K. W., Normann, R. A. A silicon-based, 3-dimensional neural interface – manufacturing processes for an intracortical electrode array. IEEE Trans. Biomed. Eng. 38 (8), 758-768 (1991).
- Jones, K. E., Campbell, P. K., Normann, R. A. A glass/silicon composite intracortical electrode array. Ann. Biomed. Eng. 20 (4), 423-427 (1992).
- Maynard, E. M., Nordhausen, C. T., Normann, R. A. The Utah Intracortical Electrode Array: A recording structure for potential brain-computer interfaces. Electroencephalogr. Clin. Neurophysiol. 102 (3), 228-239 (1997).
- Csicsvari, J., et al. Massively parallel recording of unit and local field potentials with silicon-based electrodes. J. Neurophysiol. 90 (2), 1314-1314 (2003).
- Kelly, R. C., et al. Comparison of recordings from microelectrode arrays and single electrodes in the visual cortex. J. Neurosci. 27 (2), 261-264 (2007).
- Nordhausen, C. T., Maynard, E. M., Normann, R. A. Single unit recording capabilities of a 100 microelectrode array. Brain Res. 726 (1-2), 129-140 (1996).
- Nordhausen, C. T., Rousche, P. J., Normann, R. A. Optimizing recording capabilities of the Utah Intracortical Electrode Array. Brain Res. 637 (1-2), 27-36 (1994).
- Maynard, E. M., et al. Neuronal interactions improve cortical population coding of movement direction. J. Neurosci. 19 (18), 8083-8093 (1999).
- Serruya, M. D., Hatsopoulos, N. G., Paninski, L., Fellows, M. R., Donoghue, J. P. Instant neural control of a movement signal. Nature. 416 (6877), 141-142 (2002).
- Hochberg, L. R., et al. Neuronal ensemble control of prosthetic devices by a human with tetraplegia. Nature. 442 (7099), 164-171 (2006).
- Hochberg, L. R., et al. Reach and grasp by people with tetraplegia using a neurally controlled robotic arm. Nature. 485 (7398), 372 (2012).
- Simeral, J. D., Kim, S. P., Black, M. J., Donoghue, J. P., Hochberg, L. R. Neural control of cursor trajectory and click by a human with tetraplegia 1000 days after implant of an intracortical microelectrode array. J. Neural Eng. 8 (2), 25027 (2011).
- Jarosiewicz, B., et al. Virtual typing by people with tetraplegia using a self-calibrating intracortical brain-computer interface. Sci. Transl. Med. 7 (313), 313ra179 (2015).
- Seeck, M., Schomer, D. L., Niedermeyer, E. Intracranial Monitoring: Depth, Subdural, and Foramen Ovale Electrodes. Niedermeyer’s Electroencephalogr. , 677-714 (2011).
- Truccolo, W., et al. Single-neuron dynamics in human focal epilepsy. Nat. Neurosci. 14 (5), 635-641 (2011).
- Truccolo, W., et al. Neuronal ensemble synchrony during human focal seizures. J. Neurosci. 34 (30), 9927 (2014).
- Keller, C. J., et al. Heterogeneous neuronal firing patterns during interictal epileptiform discharges in the human cortex. Brain. 133 (Pt 6), 1668-1681 (2010).
- Schevon, C. A., et al. Evidence of an inhibitory restraint of seizure activity in humans. Nat. Commun. 3, 1060 (2012).
- Weiss, S. A., et al. Ictal high frequency oscillations distinguish two types of seizure territories in humans. Brain. 136 (Pt 12), 3796-3808 (2013).
- Cash, S. S., Hochberg, L. R. The Emergence of Single Neurons in Clinical Neurology. Neuron. 86 (1), 79-91 (2015).
- Donoghue, J. P. Bridging the brain to the world: a perspective on neural interface systems. Neuron. 60 (3), 511-521 (2008).
- Hader, W. J., et al. Complications of epilepsy surgery – A systematic review of focal surgical resections and invasive EEG monitoring. Epilepsia. 54 (5), 840-847 (2013).
- Arya, R., Mangano, F. T., Horn, P. S., Holland, K. D., Rose, D. F., Glauser, T. A. Adverse events related to extraoperative invasive EEG monitoring with subdural grid electrodes: A systematic review and meta-analysis. Epilepsia. 54 (5), 828-839 (2013).
- Hayashi, S., et al. History and future of human cadaver preservation for surgical training: from formalin to saturated salt solution method. Anat. Sci. Int. 91 (1), 1-7 (2016).
- Rousche, P. J., Normann, R. A. A method for pneumatically inserting an array of penetrating electrodes into cortical tissue. Ann. Biomed. Eng. 20 (4), 413-422 (1992).
- Waziri, A., Schevon, C. A., Cappell, J., Emerson, R. G., McKhann, G. M., Goodman, R. R. Initial surgical experience with a dense cortical microarray in epileptic patients undergoing craniotomy for subdural electrode implantation. Neurosurgery. 64 (3), 540-545 (2009).
- Yousry, T. A., et al. Localization of the motor hand area to a knob on the precentral gyrus. A new landmark. Brain. 120 (1), 141-157 (1997).
- Tóth, E., Fabó, D., Entz, L., Ulbert, I., Erőss, L. Intracranial neuronal ensemble recordings and analysis in epilepsy. J. Neurosci. Methods. 260, 261-269 (2016).
- Cash, S. S., et al. The human K-complex represents an isolated cortical down-state. Science. 324 (5930), 1084-1087 (2009).
- Olabe, J., Olabe, J., Sancho, V. Human cadaver brain infusion model for neurosurgical training. Surg. Neurol. 72 (6), 700-702 (2009).
- Winer, J. L., et al. Cerebrospinal fluid reconstitution via a perfusion-based cadaveric model: feasibility study demonstrating surgical simulation of neuroendoscopic procedures. J. Neurosurg. 123 (5), 1316-1321 (2015).
- Cardali, S., et al. Microsurgical Anatomic Features of the Olfactory Nerve: Relevance to Olfaction Preservation in the Pterional Approach. Oper. Neurosurg. 57, 17-21 (2005).
- Alvernia, J. E., Pradilla, G., Mertens, P., Lanzino, G., Tamargo, R. J. Latex injection of cadaver heads: technical note. Neurosurgery. 67 (2 Suppl Operative), 362-367 (2010).
- Chowdhury, F. H., et al. Endoscopic endonasal transsphenoidal exposure of circle of Willis (CW); can it be applied in vascular neurosurgery in the near future? A cadaveric study of 26 cases. Turk. Neurosurg. 22 (1), 68-76 (2012).
- Benet, A., Rincon-Torroella, J., Lawton, M. T., González Sánchez, J. J. Novel embalming solution for neurosurgical simulation in cadavers. J. Neurosurg. 120 (5), 1229-1237 (2014).
- Tomlinson, J. E., Yiasemidou, M., Watts, A. L., Roberts, D. J. H., Timothy, J. Cadaveric Spinal Surgery Simulation: A Comparison of Cadaver Types. Glob. spine J. 6 (4), 357-361 (2016).
- Krishnamurthy, S., Powers, S. K. The use of fabric softener in neurosurgical prosections. Neurosurgery. 36 (2), 420-3-4at (1995).
- Hamlyn, P. J. Neurovascular relationships in the posterior cranial fossa, with special reference to trigeminal neuralgia. 1. Review of the literature and development of a new method of vascular injection-filling in cadaveric controls. Clin. Anat. 10 (6), 371-379 (1997).
- Tubbs, R. S., Loukas, M., Shoja, M. M., Wellons, J. C., Cohen-Gadol, A. A. Feasibility of ventricular expansion postmortem: a novel laboratory model for neurosurgical training that simulates intraventricular endoscopic surgery. J. Neurosurg. 111 (6), 1165-1167 (2009).
- Aktas, U., Yilmazlar, S., Ugras, N. Anatomical restrictions in the transsphenoidal, transclival approach to the upper clival region: a cadaveric, anatomic study. J. Craniomaxillofac. Surg. 41 (6), 457-467 (2013).
- Yiasemidou, M., Roberts, D., Glassman, D., Tomlinson, J., Biyani, S., Miskovic, D. A Multispecialty Evaluation of Thiel Cadavers for Surgical Training. World J. Surg. , (2017).
- Ploch, C. C., Mansi, C. S. S. A., Jayamohan, J., Kuhl, E. Using 3D Printing to Create Personalized Brain Models for Neurosurgical Training and Preoperative Planning. World Neurosurg. 90, 668-674 (2016).
- Del Castillo-Calcáneo, J., Donoghue, J. A. A Novel Method for 3-Dimensional Printing a Brain That Feels and Looks Like One: The Next Step in the Search of the Perfect Neurosurgical Simulator. World Neurosurg. 91, 620-622 (2016).
- Martin, S., Millán, J. D. R., Knight, R. T., Pasley, B. N. The use of intracranial recordings to decode human language: Challenges and opportunities. Brain Lang. , (2016).
