成体ラットにおける複合再生性末梢神経インタフェース(C-RPNI)の作製
Summary
以下の原稿は、複合再生性末梢神経界(C-RPNI)と呼ぶ生物学的、閉ループ神経フィードバックシステムを開発するための新しい方法を説明する。この構造は、末梢神経と統合して効率のよい運動信号を増幅すると同時に、感覚的フィードバックを提供する能力を有する。
Abstract
近年の神経補聴器の進歩により、四肢の喪失を伴う人々は、不在の四肢に自生する多くの機能を再現することができ、これはしばしば末梢神経系との統合によって達成される。残念なことに、現在採用されている方法は、多くの場合、長期使用を防止する重要な組織損傷に関連付けられている。さらに、これらのデバイスは、複雑な構造が、より単純な義足を使用する際にユーザーが以前に依存していた振動やその他の感覚を減衰させるため、意味のある程度の感覚フィードバックを欠くことがよくあります。複合再生型末梢神経界面(C-RPNI)は、同時の感覚フィードバックを提供しながら、効率のよい運動神経信号を増幅する能力を持つ安定した生物学的構造として開発されました。C-RPNIは、標的混合感覚運動神経の周りに固定された自由な皮膚および筋肉移植片のセグメントから構成され、筋肉移植片の優先運動神経再神経再生および皮膚移植片の感覚神経再ナー化を有する。ラットでは、この構造は、ミクロからミリボルトレベルのターゲット神経の信号を増幅する複合筋肉作用電位(CmAP)の生成を実証し、信号対雑音比は平均約30〜50である。構築物の真皮成分の刺激は、近位神経に化合物感覚神経作用電位(CSNAPs)を発生させる。このように、この構造は、理想的で直感的な義足の実現に向けて将来の有用性を期待しています。
Introduction
四肢切断は190人に1人近くに影響を及ぼし、その有病率は現在の160万人から2050年までに360万人以上に増加すると予測されている。千年を超える使用が文書化されているにもかかわらず、理想的な義足はまだ実現されていません3.現在、天然の四肢4,5の多くの運動機能を再現する可能性を持つ複数の関節操作が可能な複雑な義足が存在する。しかし、これらのデバイスは、所望の義足運動が通常は入力制御信号と機能的に分離されるため、直感的とは見なされない。ユーザーは通常、これらの「高度な義足」を習得するのが難しいと考えるので、日常の使用に適していません1,6.さらに、現在市場に出されている複雑な義足は、適切な制御のための微妙な感覚フィードバックのかなりの程度を提供していません。タッチ感とプロプリオセプションは、日常業務を遂行するために不可欠であり、これらの無しで、コーヒーを一杯拾うなどの単純な行為は、視覚的な手がかり7、8、9に完全に依存するので負担になる。これらの理由から、高度なプロテーゼは、かなりの程度の精神的疲労に関連しており、しばしば負担が大きく、不十分な5、10、11と記載されている。これに対処するために、いくつかの研究所は、直接的な神経相互作用12、13、14、15を介して限られた程度の感覚フィードバックを提供することができる補足薬を開発したが、フィードバックはしばしば手と指12、13上の小さな散乱領域に限られ、感覚は15時に痛みを伴い不自然であると指摘された。これらの研究の多くは、残念ながら、数週間から数ヶ月16のスケールでインターフェイスの失敗を示しながら、局所組織の効果を引き出すために、任意の顕著な長期的なフォローアップと神経組織学を欠いている。
この集団にとって、理想的な義足装置は、生涯を通じて個人の環境からの有意義な体性感覚フィードバックと一緒に高忠実度の運動制御を提供するであろう。上記の理想的な補足の設計に重要なのは、効率のよいモーター信号を用いた感覚的な感覚情報の同時送信を可能にする安定した、信頼できるインターフェースの開発である。現在のヒトと機械の界面の中で最も有望なものは、末梢神経系と直接相互作用するものであり、神経統合補足体の分野における最近の発展は、生体信号と機械的信号17の間のギャップを埋める方向に向けて取り組んでいる。現在利用されるインターフェイスは含める:適用範囲の神経版14、15、18、神経外カフ電極13、19、20、21、22、23、ティッシュ貫通電極24、25、31、32、および網状電極26、27 、28.しかしながら、これらの方法のそれぞれは、神経特異性、組織損傷、軸索変性、ミエリン枯渇、および/または慢性の内在異物応答16、17、18、19に関連する瘢痕組織形成に関して制限を示している。最近では、最終的に埋め込まれた電極障害の背後にあるドライバーが、電子材料とネイティブ神経組織との間のヤング率の有意な差であると仮定されている。脳組織は日常的に著しい微小運動の対象であり、ヤング率の違いによって引き起こされる剪断応力が炎症を引き起こし、最終的には永久瘢痕30、31、32が起こるという理論がなされている。この効果は、末梢神経が生理学的マイクロモーションと意図的な四肢の両方の大動の影響を受ける四肢にしばしば複合化される。この一定の動きのために、完全に好界の末梢神経界面の利用は理想的ではなく、生物学的成分との界面がより適していると結論付けるのが妥当である。
この生物学的要素の必要性に対処するために、私たちの研究室では、脳内の末梢神経を補聴器と共に残存する末梢神経を統合するために、再生末梢神経界(RPNI)と呼ぶ生体神経界面を開発しました。RPNIの製造は、自家自由筋移植片に末梢神経を外科的に移植することを含み、その後、血管再生と再ナーニングを行う。私たちの研究室は、動物と人間の両方の試験で埋め込まれた電極と組み合わせると運動信号を増幅し、送信することに成功し、複数の自由度2、34で適切な義足制御を可能にし、過去10年間にこの生物学的神経インターフェースを開発しました。さらに、我々は、皮膚官能界(DSI)3、35と呼ぶ真皮移植片に埋め込まれた末梢神経の使用を通じて感覚フィードバックを別々に実証した。より遠位切断では、これらの構成体を同時に使用することは、標的末梢神経内の運動および感覚的な切断部が外科的に分離することができるので実現可能である。しかし、より近位レベル切断の場合、これは運動繊維と感覚繊維の混入による実現不可能である。複合再生末梢神経界面(C-RPNI)は、より近位切断のために開発され、真皮移植片のセグメントに固定された遊離筋移植片からなる構造に混合感覚運動神経を移植することを含む(図1)。末梢神経は優先的に標的再び再生を示し、したがって感覚線維は真皮移植片および運動繊維、筋肉移植片を再びインナーベートする。この構成体は、体性感覚フィードバックを提供しながら同時にモータ信号を増幅する能力を有する(図2)、理想的で直感的で複雑な義足を実現する。
Protocol
Representative Results
Discussion
C-RPNIは、対象神経の運動効率信号を同時に増幅し、感覚フィードバックを提供する新しい構造です。特に、C-RPNIは、運動と感覚的なファシクルが手術中に機械的に容易に分離することができないので、近位切断と一緒に暮らす人々のためのユニークな有用性を有する。代わりに、C-RPNIは神経自体の固有の優遇再レンナー化特性を利用して、神経筋接合部への皮膚感覚末端器官および運動繊維?…
Divulgazioni
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
著者らは、専門家の技術支援のためにジャナムーンに感謝したいと考えています。本論文の研究は、SKへのR21(R21NS104584)助成金を通じて資金提供された。
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).
