Treinamento cirúrgico para implantação de microeletrodos Neocortical matrizes usando um modelo de cadáver humano formaldeído-fixo

Summary

Nós projetamos um procedimento em que um cadáver humano formaldeído-fixo é usado para ajudar os neurocirurgiões em treinamento para a implantação de matrizes de microeletrodos no córtex do cérebro humano.

Abstract

Este protocolo descreve um procedimento para auxiliar os cirurgiões em treinamento para a implantação de matrizes de microeletrodos no córtex do cérebro humano. Recentes progressos tecnológicos permitiu a fabricação de matrizes de microeletrodos que permitem gravar a atividade dos neurônios individuais múltiplas no neocórtex do cérebro humano. Estas matrizes têm o potencial de trazer uma visão única sobre as correlações neuronais da função cerebral na saúde e na doença. Além disso, a identificação e a decodificação de atividade neuronal volitivos abre a possibilidade de estabelecer interfaces cérebro-computador e assim pode ajudar a restaurar funções neurológicas perdidas. A implantação de matrizes de microeletrodos neocortical é um procedimento invasivo que requer uma craniotomia suprafamoso e a exposição da superfície cortical; assim, o procedimento deve ser realizado por um neurocirurgião devidamente treinado. A fim de proporcionar uma oportunidade para treinamento cirúrgico, nós projetamos um procedimento baseado em um modelo de cadáver humano. O uso de um cadáver humano formaldeído-corrigido ignora as dificuldades práticas, éticas e financeiras da prática cirúrgica em animais (primatas não-humanos especialmente), preservando a estrutura macroscópica da cabeça, crânio, meninges e cerebral superfície e permitindo que realista, sala de operações, como posicionamento e instrumentação. Além disso, o uso de um cadáver humano é mais para a prática clínica diária que qualquer modelo de não-humanos. As principais desvantagens da simulação cadavérico são a ausência de pulsação cerebral e da circulação de sangue e líquido cefalorraquidiano. Sugerimos que um modelo de formaldeído-corrigido o cadáver humano é uma abordagem adequada, prática e econômica para garantir formação cirúrgica adequada antes de colocar a matrizes de microeletrodos no neocórtex humano vivo.

Introduction

Nos últimos anos tem visto o desenvolvimento de soluções tecnológicas para o desafio de gravar a atividade dos neurônios individuais múltiplas do vida^1,2,3no cérebro. Matrizes de microeletrodos baseados em silício faça da mesma forma para microeletrodos fio convencionais em termos de propriedades de sinal, e eles podem gravar a partir de dezenas a centenas de neurônios em um pequeno pedaço de tecido cerebral^{4,5, 6 , 7}. matrizes de microeletrodos permitiram que os cientistas a estabelecer a correspondência entre a atividade neural no córtex motor primário de macacos e braço movimentos⁸, que por sua vez forneceu um impulso para o desenvolvimento do cérebro-computador interfaces (BCIs)⁹.

Matrizes de microeletrodos têm sido utilizados em seres humanos em duas situações: como crônicos implantes de controle BCIs e semi crônicos implantes para estudar a atividade de neurônios individuais em pacientes que sofrem de epilepsia. Implantes crônicos, visando a representação funcional da mão no córtex motor primário, permitiram que os pacientes que sofrem de tetraplegia, para controlar o movimento de um braço robótico, ou de computador cursores^{10,11,12 ,13}. Implantes semi crônicos, inseridos junto com elétrodos subdural eletrocorticografia (ECOG) em pacientes com epilepsia resistente aos medicamentos que são candidatos à cirurgia de epilepsia¹⁴, permitam gravações unitárias antes, durante e depois da convulsão, e começaram a lançar luz sobre a atividade dos neurônios único durante e entre as crises epilépticas^{15,16,17,18,19}. Matrizes de microeletrodos têm o potencial para melhorar significativamente a nossa compreensão de como o cérebro funciona através do estabelecimento de uma ligação entre a atividade dos neurônios, por um lado e as percepções, movimentos e pensamentos dos seres humanos, tanto na saúde e na doença, sobre os outros^20,21.

Matrizes de microeletrodos baseados em silício estão disponíveis comercialmente e seu uso em humanos foi aprovado pelas autoridades reguladoras nos EUA na indicação de epilepsia semi crônica. No entanto, esses dispositivos são invasivos e devem ser inseridos no cérebro. As consequências negativas da técnica de inserção indevida, além do fracasso do dispositivo para gravar atividade neuronal, incluem hemorragia cerebral e infecção, com o potencial de disfunção neurológica permanente ou de longa duração. Embora a taxa de complicação de implantação de matriz de microeletrodos é atualmente desconhecida, a taxa de complicações potencialmente graves durante a implantação de macroelectrodes intracraniana Eletroencefalografia (EEG) é de 1-5%^{22, 23}. portanto, a implantação adequada das matrizes de microeletrodos requer extensas habilidades neurocirúrgicas e treinamento de procedimento específico.

As abordagens disponíveis para os cirurgiões aprimorar suas habilidades com matrizes de microeletrodos em um ambiente seguro incluem mamíferos não-humanos e cadáveres humanos. O modelo de treinamento ideal seria reproduzir fielmente o tamanho e a espessura do crânio humano; a dureza e a ramificação vascular a dura-máter; o padrão de gyrification, a consistência e a pulsação do cérebro humano; a presença de circulação de sangue e líquido cefalorraquidiano; e o posicionamento global do sujeito em uma sala de operação (OR)-como o ambiente. Assim, modelos animais precisam ser de um tamanho suficiente para proporcionar uma experiência significativa para os cirurgiões. Grandes primatas não-humanos vêm mais próximos, mas seu uso para treinamento cirúrgico é insustentável tanto a partir de uma perspectiva ética e porque eles são caros. Roedores não entrar consideração por causa de seu tamanho pequeno; usando o mesmo gatos ou coelhos implica significativamente divergentes de um OR-como o ambiente.

Cadáveres humanos representam uma alternativa atraente. Suas vantagens incluem a vida, como tamanho e forma da cabeça e cérebro e a possibilidade de criação de formação cirúrgica em um ambiente semelhante ao OR. As partidas mais óbvias de uma situação realista são a ausência de pulsações cerebrais e hemorragia e as modificações no aspecto e consistência de tecidos do corpo que são específicos para a técnica utilizada para preservação de cadáveres²⁴. Fresco congelado cadáveres preservar a consistência e a flexibilidade de muitos órgãos e tecidos em certa medida, mas eles têm várias desvantagens: eles começam degradando assim que descongelar começa, para que o cérebro torna-se muito degradado para a inserção de um microeléctrodo matriz para ser executada de forma realista e eles são um recurso relativamente raro e caro. Formaldeído-fixo de cadáveres, por outro lado, são mais acessíveis e disponíveis e muito mais durável, em detrimento da consistência de tecido endurecido.

Aqui, podemos estabelecer um procedimento usando um modelo de formaldeído-corrigido o cadáver humano para fornecer treinamento neurocirúrgico para a implantação de uma matriz de microeletrodos neocortical. Nossa abordagem permite realista, OR-como posicionamento e instrumentação; realização de craniotomia e durotomy e expondo a superfície neocortical; anexar o pedestal de eletrodo para o osso do crânio vizinhas a craniotomia; e inserir a matriz de microeletrodos no neocórtex com um pêndulo pneumático²⁵. Criticamente, permite que os cirurgiões praticar o alinhamento preciso da matriz de microeletrodos (que está ligada ao pedestal do eletrodo por um feixe de fios de ouro individualmente isolados) paralelo a superfície neocortical²⁶. Nosso protocolo reproduz fielmente a indicação de implantação de matriz de microeletrodos juntamente com implantação de ECOG em pacientes que são candidatos à cirurgia de epilepsia. As indicações da cirurgia de implantação são influenciadas significativamente pelo tipo exato de matriz de microeletrodos; aqui, descrevemos o procedimento para uma matriz que recebeu recentemente a aprovação regulatória para o uso em seres humanos nos EUA. A chamada matriz de Utah é composto por um 4 x 4 mm, grade de microeletrodos 100; um pedestal transcutânea anexado à tabela externa do crânio; e um feixe de fios conectando os dois.

Protocol

O cadáver humano utilizado neste trabalho foi fornecido no âmbito das doações de corpo para educação médica. Consentimento para a doação de corpo foi obtido por escrito durante o tempo de vida do doador. Em conformidade com as leis federais e cantonais, impunha-se sem revisão por um Comitê de ética. Nota: Este protocolo assume que as pessoas que exercem a praticar cirurgia são neurocirurgiões com formação e experiência em procedimentos neurocirúrgicos padrão, incluindo o pos…

Representative Results

Nosso protocolo usa um modelo de formaldeído-fixado o cadáver humano para permitir que os cirurgiões praticar o procedimento cirúrgico de implantação de uma matriz de microeletrodos no córtex cerebral em um ambiente realista, como OR. A opção de executar o post-mortem neuroimagem, como tomografia, vai confirmar a ausência de qualquer lesão intracraniana significativa (figura 1A) e pode ajudar com a seleção do local do implante. Trabalhando com um espécime inteiro e configuraç?…

Discussion

O modelo de cadáver humano formaldeído-fixo e o protocolo cirúrgico descrito aqui replicam o procedimento cirúrgico de implantação de matrizes de microeletrodos no córtex cerebral humano. Cada etapa do procedimento, incluindo o posicionamento da matriz de microeletrodos e sua inserção com o dispositivo de inserção pneumática, proceda quase da mesma forma como em um paciente da vida real, com a exceção essa pulsação cerebral e circulação estão ausentes. Os passos críticos no protocolo são o alinhament…

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