تصنيع الواجهة العصبية الطرفية التتجدد المركبة (C-RPNI) في الجرذ البالغ
Summary
تصف المخطوطة التالية طريقة جديدة لتطوير نظام تغذية مرتدة عصبية حلقة مغلقة بيولوجية يطلق عليها واجهة الأعصاب الطرفية التجديدية المركبة (C-RPNI). هذا البناء لديه القدرة على الاندماج مع الأعصاب الطرفية لتضخيم الإشارات الحركية efferent في حين توفير ردود الفعل الحسية afferent في وقت واحد.
Abstract
وقد مكنت التطورات الأخيرة في الأطراف الاصطناعية العصبية أولئك الذين يعيشون مع فقدان الأطراف لإعادة إنتاج العديد من الوظائف الأصلية إلى الأطراف الغائبة، وغالبا ما يتم ذلك من خلال التكامل مع الجهاز العصبي المحيطي. لسوء الحظ ، غالباً ما ترتبط الطرق المستخدمة حاليًا بتلف كبير في الأنسجة يمنع الاستخدام المطول. بالإضافة إلى ذلك ، غالباً ما تفتقر هذه الأجهزة إلى أي درجة ذات مغزى من ردود الفعل الحسية حيث أن بنائها المعقد يخفف من أي اهتزازات أو أحاسيس أخرى قد يكون المستخدم قد اعتمد عليها سابقًا عند استخدام أطراف اصطناعية أكثر بساطة. تم تطوير واجهة العصب الطرفي التجديدية المركبة (C-RPNI) كبناء بيولوجي مستقر مع القدرة على تضخيم الإشارات العصبية الحركية الخالية مع توفير ردود فعل حسية في وقت واحد. C-RPNI يتكون من جزء من الجلد الحرة والكسب غير المشروع العضلات تأمين حول العصب الحسي مختلطة الهدف، مع تفضيل العصب الحركي من الكسب غير المشروع العضلات وإعادة تغذية العصب الحسي من الكسب غير المشروع الجلد. في الفئران، وقد أظهرت هذه البناء توليد إمكانات عمل العضلات المركبة (CMAPs)، تضخيم إشارة العصب المستهدف من مستوى الصغرى إلى مللي فولت، مع إشارة إلى نسب الضوضاء في المتوسط حوالي 30-50. تحفيز العنصر الجلدي من بناء يولد مركبات القدرة على عمل العصب الحسي (CSNAPs) في العصب القريب. على هذا النحو ، فإن هذا البناء له فائدة مستقبلية واعدة نحو تحقيق الأطراف الاصطناعية المثالية البديهية.
Introduction
بتر الأطراف القصوى تؤثر على ما يقرب من 1 في 190 الأميركيين1, ومن المتوقع أن يزيد انتشارها من 1.6 مليون اليوم إلى أكثر من 3.6 مليون بحلول عام 20502. على الرغم من الاستخدام الموثق لأكثر من ألف عام ، فإن الطرف الاصطناعي المثالي لم يتحقق بعد3. حاليا، هناك أطراف اصطناعية معقدة قادرة على التلاعب المفاصل متعددة مع إمكانية إعادة إنتاج العديد من الوظائف الحركية من الطرف الأصلي4،5. ومع ذلك، لا تعتبر هذه الأجهزة بديهية كما الحركة الاصطناعية المطلوبة عادة ما تكون منفصلة وظيفيا من إشارة التحكم في الإدخال. عادة ما يعتبر المستخدمون هذه “الأطراف الاصطناعية المتقدمة” صعبة التعلم وبالتالي غير مناسبة للاستخدام اليومي1،6. بالإضافة إلى ذلك، لا توفر الأطراف الاصطناعية المعقدة المعقدة في السوق حاليًا أي درجة ملموسة من التغذية المرتدة الحسية الدقيقة للتحكم الكافي. الشعور باللمس والدعائم أمر حيوي لتنفيذ المهام اليومية ، وبدون هذه ، تصبح الأفعال البسيطة مثل التقاط فنجان من القهوة مرهقة لأنها تعتمد بالكامل على الإشارات البصرية7،8،9. لهذه الأسباب ، ترتبط الأطراف الاصطناعية المتقدمة بدرجة كبيرة من التعب العقلي وغالبا ً ما توصف بأنها مرهقة وغير مرضية5،10،11. لمعالجة ذلك ، قامت بعض المختبرات البحثية بتطوير أطراف اصطناعية قادرة على توفير درجة محدودة من التغذية المرتدة الحسية عبر التفاعل العصبي المباشر12،13،14،15، ولكن غالبًا ما تقتصر التغذية المرتدة على المناطق الصغيرة المتناثرة على اليدين والأصابع12،13، ولوحظ أن الأحاسيس مؤلمة وغير طبيعية في بعض الأحيان15. العديد من هذه الدراسات تفتقر للأسف أي متابعة طويلة الأجل ملموس وأنسجة الأعصاب لتحديد آثار الأنسجة المحلية، في حين تلاحظ فشل واجهة على نطاق أسابيع إلى أشهر16.
بالنسبة لهذه الفئة من السكان، فإن الجهاز الاصطناعي المثالي يوفر تحكمًا حركيًا عالي الدقة إلى جانب ردود فعل حسية سوماتوية ذات مغزى من بيئة الفرد طوال حياته. من الأمور الحاسمة لتصميم الأطراف الاصطناعية المثالية المذكورة هو تطوير واجهة مستقرة وموثوقة من شأنها أن تسمح بالإرسال المتزامن للمعلومات الحسية الغامضة مع إشارات المحرك efferent. أكثر الواجهات الواعدة بين الإنسان والآلة الحالية هي تلك التي تتفاعل مع الجهاز العصبي المحيطي مباشرة ، وقد عملت التطورات الأخيرة في مجال الأطراف الاصطناعية المتكاملة العصبية على سد الفجوة بين الإشارات الكهربائية الحيوية والميكانيكية17. وتشمل الواجهات الحالية المستخدمة: لوحات عصبية مرنة14،15،18، أقطاب الكفة خارج العصبية13،19،20،21،22،23، الأنسجة اختراق الأقطاب24،25،31،32، والأقطاب الكهربائية داخل الفاساب26،27 ،28. ومع ذلك ، فقد أظهرت كل من هذه الأساليب قيودًا فيما يتعلق بخصوصية الأعصاب ، وإصابة الأنسجة ، والانحطاط المحوري ، واستنفاد المالين ، و / أو تكوين الأنسجة الندبة المرتبطة باستجابة الجسم الغريب الساكنة المزمنة16،17،18،19. في الآونة الأخيرة، فقد افترض أن سائق وراء فشل القطب زرع في نهاية المطاف هو الفرق الكبير في moduli يونغ بين المواد الإلكترونية والأنسجة العصبية الأصلية. تخضع أنسجة الدماغ لميكرومكبيرة على أساس يومي ، وقد تم التوصل إلى التوقعات بأن إجهاد القص الناجم عن الاختلافات في مودولي يونغ يسبب التهابًا وتندبًا دائمًا في نهاية المطاف30،31،32. وغالبا ما يتفاقم هذا التأثير في الأطراف، حيث الأعصاب الطرفية تخضع لكل من micromotion الفسيولوجية والماكرووشن الأطراف المتعمد. بسبب هذه الحركة المستمرة ، من المعقول أن نستنتج أن استخدام واجهة العصب الطرفي اللاأحيائي ة ليست مثالية ، وستكون الواجهة مع مكون بيولوجي أكثر ملاءمة.
ولتلبية هذه الحاجة إلى مكون بيولوجي، طور مختبرنا واجهة عصبية حيوية يطلق عليها واجهة الأعصاب الطرفية التجديدية (RPNI) لدمج الأعصاب الطرفية العرضية في طرف متبقي مع جهاز اصطناعي. يتضمن تصنيع RPNI زرع العصب الطرفي جراحيًا في ترقيع العضلات الحرة ذاتيًا ، والذي يعيد بعد ذلك الأوعية الدموية وreinnervates. وقد طور مختبرنا هذه الواجهة العصبية البيولوجية على مدى العقد الماضي ، مع نجاح في تضخيم وإرسال الإشارات الحركية عند دمجها مع أقطاب كهربائية مزروعة في كل من التجارب الحيوانية والبشرية ، مما يسمح بالتحكم المناسب في الأطراف الاصطناعية بدرجات متعددة من الحرية2،34. وبالإضافة إلى ذلك، لقد أظهرت بشكل منفصل ردود الفعل الحسية من خلال استخدام الأعصاب الطرفية جزءا لا يتجزأ من الطعوم الجلدية، ويسمى واجهة الحسية الجلد (DSI)3،35. في عمليات البتر البعيدة أكثر، واستخدام هذه البنى في وقت واحد هو ممكن كما يمكن فصل اللفافات الحركية والحسية داخل العصب المحيطي الهدف جراحيا. ومع ذلك ، لمزيد من بتر مستوى القرب ، وهذا ليس ممكنا بسبب اختلاط الألياف الحركية والحسية. تم تطوير واجهة العصب الطرفي التجديدية المركبة (C-RPNI) لمزيد من عمليات البتر القريبة ، وهي تنطوي على زرع عصب حسي حركي مختلط في بناء يتكون من الكسب غير المشروع للعضلات الحرة المضمونة إلى جزء من الكسب غير المشروع الجلدي(الشكل 1). الأعصاب الطرفية تظهر تفضيلية تستهدف reinnervation، وبالتالي سوف الألياف الحسية إعادة إينرفات الطعوم الجلدية والألياف الحركية، والكسب غير المشروع العضلات. وبالتالي فإن هذا البناء لديه القدرة على تضخيم إشارات المحرك في وقت واحد مع توفير ردود الفعل سوماتوالحسية36 (الشكل 2)، مما يسمح لتحقيق مثالي ، بديهية ، الأطراف الاصطناعية المعقدة.
Protocol
Representative Results
Discussion
وC-RPNI هو بناء الرواية التي توفر تضخيم في وقت واحد من إشارات efferent المحرك العصب المستهدف مع توفير ردود الفعل الحسية afferent. على وجه الخصوص ، فإن C-RPNI له فائدة فريدة لأولئك الذين يعيشون مع بتر اتبهي ، حيث لا يمكن بسهولة فصل اللفافات الحركية والحسية ميكانيكيًا أثناء الجراحة. بدلا من ذلك، يستخدم C-RPN…
Divulgazioni
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
ويود المؤلفون أن يشكروا جانا مون على المساعدة التقنية الخبيرة. تم تمويل الدراسات المقدمة في هذه الورقة من خلال منحة R21 (R21NS104584) إلى SK.
Materials
| #15 Scalpel | Aspen Surgical, Inc | Ref 371115 | Rib-Back Carbon Steel Surgical Blades (#15) |
| 4-0 Chromic Suture | Ethicon | SKU# 1654G | P-3 Reverse Cutting Needle |
| 5-0 Chromic Suture | Ethicon | SKU# 687G | P-3 Reverse Cutting Needle |
| 6-0 Ethilon Suture | Ethicon | SKU# 697G | P-1 Reverse Cutting Needle (Nylon suture) |
| 8-0 Monofilament Suture | AROSurgical | T06A08N14-13 | Black polyamide monofilament suture on a threaded tapered needle |
| Experimental Rats | Envigo | F344-NH-sd | Rats are Fischer F344 Strain |
| Fluriso (Isofluorane) | VetOne | 13985-528-40 | Inhalational Anesthetic |
| Micro Motor High Speed Drill with Stone | Master Mechanic | Model 151369 | Handheld rotary tool; kit comes with multiple fine grit stones |
| Oxygen | Cryogenic Gases | UN1072 | Standard medical grade oxygen canisters |
| Potassium Chloride | APP Pharmaceuticals | 63323-965-20 | Injectable form, 2 mEq/mL |
| Povidone Iodine USP | MediChoice | 65517-0009-1 | 10% Topical Solution, can use one bottle for multiple surgical preps |
| Puralube Vet Opthalmic Ointment | Dechra | 17033-211-38 | Corneal protective ointment for use during procedure |
| Rimadyl (Caprofen) | Zoetis, Inc. | NADA# 141-199 | Injectable form, 50 mg/mL |
| Stereo Microscope | Leica | Model M60 | User can adjust magnification to their preference |
| Surgical Instruments | Fine Science Tools | Various | User can choose instruments according to personal preference or from what is currently available in their lab |
| Triple Antibiotic Ointment | MediChoice | 39892-0830-2 | Ointment comes in sterile, disposable packets |
| VaporStick 3 | Surgivet | V7015 | Anesthesia tower with space for isofluorane and oxygen canister |
| Webcol Alcohol Prep | Coviden | Ref 6818 | Alcohol prep wipes; use a new wipe for each prep |
Riferimenti
- Biddiss, E. A., Chau, T. T. Upper limb prosthesis use and abandonment: A survey of the last 25 years. Prosthetics and Orthotics International. 31 (3), 236-257 (2007).
- Kung, T. A., et al. Regenerative peripheralnerve interface viability and signal transduction with an implanted electrode. Plastic and Reconstructive Surgery. 133 (6), 1380-1394 (2014).
- Larson, J. V., et al. Prototype Sensory Regenerative Peripheral Nerve Interface for Artificial Limb Somatosensory Feedback. Plastic and Reconstructive Surgery. 133 (3 Suppl), 26-27 (2014).
- Hijjawi, J. B., et al. Improved myoelectric prosthesis control accomplished using multiple nerve transfers. Plastic and Reconstructive Surgery. 118 (7), 1573-1578 (2006).
- Pylatiuk, C., Schulz, S., Döderlein, L. Results of an Internet survey of myoelectric prosthetic hand users. Prosthetics and Orthotics International. 31 (4), 362-370 (2007).
- Baghmanli, Z., et al. Biological and electrophysiologic effects of poly(3,4-ethylenedioxythiophene) on regenerating peripheral nerve fibers. Plastic and Reconstructive Surgery. 132 (2), 374-385 (2013).
- Dhillon, G. S., Horch, K. W. Direct neural sensory feedback and control of a prosthetic arm. IEEE Transactions on Neural Systems and Rehabilitation Engineering. 13 (4), 468-472 (2005).
- Romo, R., Hernández, A., Zainos, A., Salinos, E. Somatosensory discrimination based on cortical microstimulation. Nature. 392, 387-390 (1998).
- O’Doherty, J., et al. Active tactile exploration using a brain-machine-brain interface. Nature. 479, 228-231 (2011).
- Stein, R. B., Walley, M. Functional comparison of upper extremity amputees using myoelectric and conventional prostheses. Archives of Physical Medicine and Rehabilitation. 64 (6), 243-248 (1983).
- Millstein, S. G., Heger, H., Hunter, G. A. Prosthetic Use in Adult Upper Limb Amputees: A Comparison of the Body Powered and Electrically Powered Prostheses. Prosthetics and Orthotics International. 10 (1), 27-34 (1986).
- Zollo, L., et al. Restoring tactile sensations via neural interfaces for real-time force-and-slippage closed-loop control of bionic hands. Science Robotics. 4 (27), eaau9924 (2019).
- Tan, D. W., et al. A neural interface provides long-term stable natural touch perception. Science Translational Medicine. 6 (257), 257ra138 (2014).
- Stieglitz, T., et al. On Biocompatibility and Stability of Transversal Intrafascicular Multichannel Electrodes-TIME. Converging Clinical and Engineering Research on Neurorehabilitation II. 15, 731-735 (2017).
- Petrini, F. M., et al. Six-months assessment of a hand prosthesis with intraneural tactile feedback. Annals of Neurology. 85 (1), 137-154 (2019).
- Jung, R., Abbas, J., Kuntaegowdanahalli, S., Thota, A. Bionic intrafascicular interfaces for recording and stimulating peripheral nerve fibers. Bioelectronics in Medicine. 1 (1), 55-69 (2018).
- Micera, S., Navarro, X., Yoshida, K. Interfacing With the Peripheral Nervous System to Develop Innovative Neuroprostheses. IEEE Transactions on Neural Systems and Rehabilitation Engineering. 17 (5), 417-419 (2009).
- Stieglitz, T., Schuettler, M., Schneider, A., Valderrama, E., Navarro, X. Noninvasive measurement of torque development in the rat foot: measurement setup and results from stimulation of the sciatic nerve with polyimide-based cuff electrodes. IEEE Transactions on Neural Systems and Rehabilitation Engineering. 11 (4), 427-437 (2003).
- Polasek, K. H., Hoyen, H. A., Keith, M. W., Tyler, D. J. Human nerve stimulation thresholds and selectivity using a multi-contact nerve cuff electrode. IEEE Transactions on Neural Systems and Rehabilitation Engineering. 15 (1), 76-82 (2007).
- Nielson, K. D., Watts, C., Clark, W. K. Peripheral nerve injury from implantation of chronic stimulating electrodes for pain control. Surgical Neurology. 5 (1), 51-53 (1976).
- Waters, R. L., McNeal, D. R., Faloon, W., Clifford, B. Functional electrical stimulation of the peroneal nerve for hemiplegia. Long-term clinical follow-up. Journal of Bone and Joint Surgery. 67 (5), 792-793 (1985).
- Larsen, J. O., Thomsen, M., Haugland, M., Sinkjaer, T. Degeneration and regeneration in rabbit peripheral nerve with long-term nerve cuff electrode implant: a stereological study of myelinated and unmyelinated axons. Acta Neuropathologica. 96 (4), 365-378 (1998).
- Krarup, C., Loeb, G. E., Pezeshkpour, G. H. Conduction studies in peripheral cat nerve using implanted electrodes: III. The effects of prolonged constriction on the distal nerve segment. Muscle Nerve. 12 (11), 915-928 (1989).
- Micera, S., Navarro, X. Bidirectional interfaces with the peripheral nervous system. International Review of Neurobiology. 86, 23-38 (2009).
- Urbanchek, M. G., et al. Microscale Electrode Implantation during Nerve Repair: Effects on Nerve Morphology, Electromyography, and Recovery of Muscle Contractile Function. Plastic and Reconstructive Surgery. 128 (4), 270e-278e (2011).
- Yoshida, K., Horch, K. Selective stimulation of peripheral nerve fibers using dual intrafascicular electrodes. IEEE Transactions on Biomedical Engineering. 40 (5), 492-494 (1993).
- Branner, A., Stein, R. B., Normann, R. A. Selective stimulation of cat sciatic nerve using an array of varying length microelectrodes. Journal of Neurophysiology. 85 (4), 1585-1594 (2001).
- Zheng, X. J., Zhang, J., Chen, T., Chen, Z. Longitudinally implanted intrascicular electrodes for stimulating and recording fascicular physioelectrical signals in the sciatic nerve of rabbits. Microsurgery. 23, 268-273 (2003).
- del Valle, J., Navarro, X. Interfaces with the peripheral nerve for the control of neuroprostheses. International Review of Neurobiology. 109, 63-83 (2013).
- Stiller, A. M., et al. A Meta-Analysis of Intracortical Device Stiffness and Its Correlation with Histological Outcomes. Micromachines. 9 (9), 443 (2018).
- Hanson, T., Diaz-Botia, C., Kharazia, V., Maharbiz, M., Sabes, P. The “sewing machine” for minimally invasive neural recording. bioRxiv. , (2019).
- Yang, X., et al. Bioinspired neuron-like electronics. Nature Materials. 18, 510-517 (2019).
- Irwin, Z. T., et al. Chronic recording of hand prosthesis control signals via a regenerative peripheral nerve interface in a rhesus macaque. Journal of Neural Engineering. 13 (4), 046007 (2016).
- Kubiak, C. A., et al. Abstract 24: Successful Control of Virtual and Robotic Hands using Neuroprosthetic Signals from Regenerative Peripheral Nerve Interfaces in a Human Subject. Plastic and Reconstructive Surgery Global Open. 6 (4), 19-20 (2018).
- Sando, I. C., et al. Dermal-Based Peripheral Nerve Interface for Transduction of Sensory Feedback. Plastic and Reconstructive Surgery. 136 (4 Suppl), 19-20 (2015).
- Kubiak, C. A., et al. Abstract 36: Viability and Signal Transduction with the Composite Regenerative Peripheral Nerve Interface (C-RPNI). Plastic and Reconstructive Surgery Global Open. 7 (4), 26-27 (2019).
- Kubiak, C. A., et al. Abstract QS18: Neural Signal Transduction with the Muscle Cuff Regenerative Peripheral Nerve Interface. Plastic and Reconstructive Surgery Global Open. 7 (4 Suppl), 114 (2019).
- Woo, S. L., et al. Utilizing nonvascularized partial skeletal muscle grafts in peripheral nerve interfaces for prosthetic control. Journal of the American College of Surgeons. 219 (4), e136-e137 (2014).
- Sporel-Özakat, R. E., Edwards, P. M., Hepgul, K. T., Savas, A., Gispen, W. H. A simple method for reducing autotomy in rats after peripheral nerve lesions. Journal of Neuroscience Methods. 36 (2-3), 263-265 (1991).
- Carr, M. M., Best, T. J., Mackinnon, S. E., Evans, P. J. Strain differences in autotomy in rats undergoing sciatic nerve transection or repair. Annals of Plastic Surgery. 28 (6), 538-544 (1992).
