Bir insan Kadavra formaldehit sabit modeli kullanarak Neocortical elektrot dizilerin implantasyonu için cerrahi eğitim
Summary
Formaldehit sabit insan Kadavra beyin cerrahı elektrot dizilerin implantasyon yeni korteksimiz insan beyninin içine için eğitim yardımcı olmak için kullanılan bir yordam dizayn ettik.
Abstract
Bu iletişim kuralı cerrahlar elektrot dizilerin implantasyonu için eğitim insan beyni yeni korteksimiz yardımcı olmak amacıyla bir yordam açıklanır. Son teknolojik ilerleme imalat, insan beyni yeni korteksimiz içinde birden çok bireysel nöronların aktivitesinin kayıt izin elektrot dizilerin sağlamıştır. Bu diziler üzerine sağlık ve hastalığında beyin işlevinin nöronal ilişkilendirir eşsiz anlayış getirmek potansiyeline sahip. Ayrıca, kimliği ve istemli nöronal aktivite kod çözme olasılığı beyin-bilgisayar arayüzleri oluşturmak için açılır ve böylece kayıp nörolojik fonksiyonları geri yardımcı. Neocortical elektrot dizilerin implantasyonu supra centimetric kranyotomi ve kortikal yüzeyi pozlama gerektiren invaziv bir işlemdir; Böylece, yordam yeterince eğitimli bir beyin cerrahı tarafından gerçekleştirilmelidir. Cerrahi eğitim için bir fırsat sağlamak için bir insan Kadavra modelini temel alan bir yordam tasarlanmış. Kafa, kafa, meninkslerde makroskopik yapısını koruyarak hayvanlar (özellikle insan dışı primatlar) üzerinde cerrahi pratik pratik, etik ve mali zorluklar formaldehit sabit insan Kadavra kullanımı atlar ve serebral yüzey ve gerçekçi, ameliyathane gibi konumlandırma ve araçları sağlar. Ayrıca, bir insan Kadavra kullanımı herhangi bir insan olmayan model daha klinik günlük uygulama için daha yakındır. Büyük dezavantaj kadavra simülasyon devamsızlık serebral nabız ve kan ve beyin omurilik sıvısı dolaşım vardır. Bir insan Kadavra formaldehit sabit model daha önce yaşayan insan yeni korteksimiz dizide elektrot yerleştirilmesi uygun cerrahi eğitim sağlamak için yeterli, pratik ve düşük maliyetli bir yaklaşım olduğunu göstermektedir.
Introduction
Son yıllarda birden fazla bireysel nöronların aktivitesinin yaşam kayıt challenge için teknolojik çözümler geliştirilmesi gördük beyin1,2,3. Silikon bazlı elektrot dizilerin benzer şekilde işaret özellikleri açısından geleneksel tel microelectrodes için gerçekleştirin ve onlar-ebilmek yazmak–dan düzine beyin doku4,5, küçük bir yama nöronlarda yüzlerce 6 , 7. elektrot dizilerin bilim adamları sırayla beyin-bilgisayar gelişimi için destek sağlamıştır kol hareketleri8, sinirsel aktivite birincil motor korteks maymun arasındaki ilişkiyi kurmak izin arabirimleri (BCIs)9.
İki durumlarda insanlarda kullanılan elektrot diziler: Kronik implantlar kontrol BCIs ve epilepsi hastalarda bireysel nöronların aktivitesinin çalışmaya yarı kronik implantlar olarak. Kronik implantlar, birincil motor korteks, elinde fonksiyonel gösterimi hedefleme hastalarda tetrapleji bir robot kol veya bilgisayar imleçler10,11,12 hareket kontrol etmek için izin ,13. Yarı kronik implantlar, subdural electrocorticography (ECOG) elektrotlar epilepsi cerrahisi14, içinde olan hastalarda ilaca dirençli epilepsi ile birlikte eklenen tek-unit kayıtları öncesinde, sırasında ve sonra nöbetler izin vermek, ve tek nöronların aktivitesinin sırasında ve Epileptik nöbetler15,16,17,18,19arasında ışık başlamışlardır. Elektrot dizilerin önemli ölçüde bizim anlayış nasıl yaşarsan, bir yandan, etkinlik ve algıları, hareketleri ve insan, hem sağlık hem de düşünceleri arasında bağlantı kurarak beyin fonksiyonları geliştirmek için potansiyel var hastalığı, diğer20,21.
Silikon bazlı elektrot diziler artık ticari olarak kullanılabilir ve bunların kullanımı insanlarda yarı kronik epilepsi göstergesi ABD düzenleyici otoriteler tarafından kabul gördü. Ancak, bu aygıtların invaziv ve beyne eklenmeli. Uygunsuz ekleme tekniği, kayıt nöronal aktivite, aygıta başarısızlığın ötesinde olumsuz sonuçları beyin kanaması ve enfeksiyon, uzun süreli veya kalıcı nörolojik disfonksiyon için potansiyele sahip bulunmaktadır. Elektrot dizi implantasyon komplikasyon oranı şu anda bilinmemekle birlikte, kafa içi elektroansefalografi (EEG) macroelectrodes implantasyonu sırasında potansiyel olarak ciddi komplikasyonlar oranı % 1-522, olduğunu 23. bu nedenle, uygun implantasyon elektrot dizilerin geniş Nöroşirürji beceri ve yordam özel eğitim gerektirir.
Güvenli bir ortamda elektrot dizileri ile becerilerini bilemek cerrahlar için kullanılabilir bir yaklaşım insan olmayan memeliler ve insan Kadavra içerir. İdeal eğitim modeli sadakatle boyutu ve kalınlığı insan kafatası yeniden; tokluk ve beyin zarı vasküler yaklaşım; gyrification desen, tutarlılık ve nabız insan beyninin; dolaşan kan ve beyin omurilik sıvısı varlığını; ve ameliyathane (OR) Konu genel konumlandırma-çevre gibi. Böylece, hayvan modelleri cerrahlar için anlamlı bir deneyim sağlamak için yeterli büyüklükte olması gerekir. Büyük insan dışı primatlar yakın, ama kullanımları cerrahi eğitim için sürdürülemez hem etik bir bakış açısıyla ve pahalı oldukları için. Kemirgenler dikkate küçük boyutlarından dolayı girmeyin; Hatta kedi ya da tavşan kullanarak önemli ölçüde bir OR benzeri ortamdan uzaklaşan anlamına gelir.
İnsan Kadavra cazip bir alternatif temsil eder. Avantajları hayat gibi size ve baş ve beyin şeklini ve Cerrahi eğitim bir OR benzeri ortamda kurma imkanı bulunmaktadır. Gerçekçi bir durum en belirgin hareketle serebral pulsasyonu ve kanama ve boy ve kıvamı kadavra koruma24için istihdam tekniği özgü vücut dokuları değişiklikler vardır. Taze donmuş kadavra korumak tutarlılık ve esneklik birçok organ ve dokuların bir ölçüde, ama onlar-si olmak birkaç dezavantajları: en kısa zamanda çözdürme aşağılayıcı başlıyorlar beyin de bir elektrot sokmak için bozulmuş olur, böylece, başlar gerçekçi yapılması için dizi ve nispeten nadir ve pahalı bir kaynak vardır. Formaldehit sabit kadavra, öte yandan, daha uygun ve kullanılabilir ve daha çok dayanıklı, sertleştirilmiş doku tutarlılık pahasına.
Burada, neocortical elektrot dizi implantasyonu için Nöroşirürji eğitim sağlamak için bir insan Kadavra formaldehit sabit modeli kullanarak bir yordamı oluşturmak. Bizim yaklaşım gerçekçi, OR gibi konumlandırma ve araçları sağlar; kranyotomi ve durotomy gerçekleştirmek ve neocortical yüzey açığa; elektrot Kaide kranyotomi komşu kafatası kemik ekleme; ve pnömatik Impactor25ile yeni korteksimiz elektrot dizi ekleme. Eleştirel, cerrahlar (Bu elektrot Kaide tarafından a bohça-in tek tek izolasyonlu altın teller bağlı) elektrot dizi hassas uyum uygulamaya sağlar paralel neocortical yüzey26. Bizim iletişim kuralı sadakatle elektrot dizi implantasyon ECOG implantasyon epilepsi cerrahisi için aday olan hastalarda birlikte belirtisi çoğaltır. İmplantasyonu ameliyatı hususlar elektrot dizi tam türüne göre önemli ölçüde etkilenmiştir; Burada, biz son zamanlarda ABD insanlarda kullanılmak düzenleyici onay alınan bir dizi için açıklayınız. Sözde Utah dizi bir 4 x 4 mm, 100 elektrot ızgara oluşur; Kafatasının dış tabloya bağlı Transkutanöz Kaide; ve bir tel paket iki bağlantı.
Protocol
Representative Results
Discussion
İnsan Kadavra formaldehit sabit modeli ve burada açıklanan cerrahi Protokolü elektrot dizilerin insan beyin yeni korteksimiz yerleştirerek cerrahi işlem çoğaltma. Yordamın elektrot dizi ve onun ekleme ile pnömatik Yerleştirici konumlandırma dahil olmak üzere, her adımında devam etmek neredeyse aynı şekilde özel durum bir gerçek hasta olduğu gibi beyin o nabız ve kan dolaşımı yok. Kritik protokolündeki neocortical yüzey ve pnömatik Yerleştirici kullanarak korteks içine onun impaksiyon elektrot…
Divulgazioni
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Yazarlar Dr. Andrea Bartoli ve Prof. Karl Schaller (nöroşirurji bölümü, Cenevre Üniversitesi Dr Rob Franklin (Blackrock Microsystems), Prof. Dr. Margitta Seeck (Nöroloji bölümü, Cenevre Üniversitesi hastaneleri, Cenevre, İsviçre), için minnettarız Hastaneler, Cenevre, İsviçre) ve Bay Florent Burdin ve mevcut çalışma hazırlanmasında destek için Prof. John P. Donaghue (Wyss Merkezi Bio ve Neuroengineering, Cenevre, İsviçre).
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).
