非ヒト霊長類の脳神経外科計画のためのMRIベースのツールボックス
1Bioengineering Department,University of Washington, 2Washington National Primate Research Center,University of Washington, 3Electrical and Computer Engineering Department,University of Washington, 4Department of Ophthalmology,SUNY Downstate Health Sciences University, 5Radiology Department,University of Washington
Summary
以下に概説する方法は、三次元(3D)印刷法とMRIデータ抽出の新しい組み合わせを用いた非ヒト霊長類(NHP)脳神経外科の調製のための包括的なプロトコルを提供することを目的とする。
Abstract
本論文では、磁気共鳴画像(MRI)から抽出したデータを用いて、NHPにおける様々な神経外科の実用計画を可能にする外科的準備の方法を概説する。このプロトコルは、脳と頭蓋骨の3Dプリント解剖学的に正確な物理モデルの生成だけでなく、脳の機械的特性の一部をモデル化脳のアガロースゲルモデルを可能にします。これらのモデルは、脳のモデルのための脳抽出ソフトウェアを使用してMRIから抽出することができ、頭蓋骨のモデルのためのカスタムコード。準備の議定書は、最先端の3D印刷技術を利用して、脳の脳モデルにインターフェースする脳、頭蓋骨、および型を作ります。頭蓋骨と脳のモデルは、カスタムコードに頭蓋切り出しを加えて頭蓋骨内の脳組織を視覚化するために使用することができ、脳を直接含む手術のためのより良い準備を可能にする。これらの方法の適用は、神経学的刺激および記録および注入に関与する手術のために設計されているが、システムの多様性は、手術のより広い範囲にプロトコル、抽出技術、およびモデルの将来の拡大を可能にする。
Introduction
霊長類研究は、動物モデルからヒト試験への医学研究の進展における重要なステップである 1,2.これは、げっ歯類の脳と非ヒト霊長類の脳(NHP)1、2、3の間に大きな生理学的および解剖学的不一致があるので、神経科学と神経工学の研究において特にそうである。神経細胞の遺伝子組み換えが必要な化学遺伝学、光遺伝学、カルシウムイメージングなどの新たな遺伝子技術により、NHPにおける神経機能を研究する神経工学研究は、脳機能2、4、5、6、7、8、9、10、11、12、13、14、15、16を理解するための前臨床モデルとして特別な注目を集めている。ほとんどのNHP神経科学実験では、ヘッドポスト、刺激および記録室、電極アレイおよび光学窓4、5、6、7、10、11、13、14、15、17、18などの様々なデバイスの移植に神経外科的措置が必要である。
現在のNHPラボは、頭部ポストの脚に合わせて動物を鎮静させ、頭蓋骨切開部位の周りの頭蓋骨の湾曲を近似するなど、しばしば効果のない慣行を含む様々な方法を使用しています。他の研究室は、手術で頭蓋骨に頭部ポストをフィットさせるか、NHP脳アトラスと磁気共鳴(MR)スキャンを分析して頭蓋骨湾曲を推定しようとするような移植に必要な測定を得るより高度な方法を採用しています2,10,11,16.NHPの神経外科も体液注射を伴い、実験室では立体的測定とMRスキャンとの比較のみに依存する脳内の予想射出位置を視覚化する方法が多い。これらの方法は、インプラントのすべての複雑なコンポーネントの物理的適合性をテストすることができないことから避けられない不確実性の程度を有する。
したがって、NHPにおける脳神経外科計画のための正確な非侵襲的な方法が必要である。ここでは、これらの動物の移植および注射手術の準備のためのプロトコルと方法論を提示する。全体のプロセスは、MRIスキャンに由来し、脳と頭蓋骨をデータから抽出して3Dプリントできる3次元(3D)モデルを作成します。頭蓋骨と脳のモデルは、頭蓋骨切脳手術だけでなく、精度の高いレベルのヘッドポストの準備に組み合わせることができます。脳モデルはまた、脳の解剖学的に正確なゲルモデルの鋳造のための金型を作成するために使用することができます。ゲル脳単独で、抽出された頭蓋骨と組み合わせて、様々な注射手術の準備に使用できます。以下では、脳神経外科製剤のためのMRIベースのツールボックスに必要な各ステップについて説明する。
Protocol
すべての動物の手順は、動物のケアと使用のためのワシントン大学研究所委員会によって承認されました.2匹の雄のアカゲザル(サルH:14.9kgと7歳、サルL:14.8kgおよび6歳)が使用された。 1. 画像の取得 サルを3T MRIスキャナに輸送し、MR互換のステレオタキシックフレーム(材料表)に動物を配置します。 標準T1(反転角度=8°、繰り返し時間/エコー時間=…
Representative Results
術前頭蓋術計画の尺度としてのMRIの操作と分析は、過去2、5、10、16で正常に使用されています。しかし、このプロセスは、脳、頭蓋骨、頭蓋切脳の3Dモデリングの追加によって大幅に強化されました。研究の関心領域を反映した脳の解剖学的に正確な物理モデルを作り出すことができた(<strong class…
Discussion
この記事では、MRスキャンから抽出された頭蓋骨と脳解剖学の物理モデルとCADモデルを使用したNHPの神経外科の準備のためのツールボックスについて説明します。
抽出され、3Dプリントされた頭蓋骨と脳モデルは、頭蓋切除手術と頭部ポスト移植の準備のために特別に設計されましたが、方法論は他のいくつかのアプリケーションに適しています。前に説明したように、?…
Divulgazioni
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
このプロジェクトは、エウニス・ケネディ・シバー国立小児保健人間研究所が受賞番号K12HD073945、ワシントン国立霊長類研究センター(WaNPCR、P51 OD010425)、神経工学センター(CNT、グラントEEC-102872)の下で国立科学財団工学研究センター(CNT)によって支援されました。このプロジェクトのためのマックニクとマルティネス・コンデの研究室への資金は、BRAINイニシアチブNSF-NCS賞1734887、NSFアワード1523614&1829474、SUNYエンパイア・イノベーター奨学金から各教授に資金を提供しました。私たちは、アガロースの準備に彼の助けをしてくれたカラム・カティーブに感謝し、トニJ Huanは技術的な助けを求めました。
Materials
| 3D Printing Software (GrabCAD Print) | Stratasys | Version 1.36 | Used for High quality 3D printing |
| 3D Printing Software (Simplify 3D) | Simplify3D | Version 4.1 | Used for PLA 3D printing |
| Agarose | Benchmark Scientific | A1700 | Used for making gel brains |
| Black Nail Polish | L.A. Colors | CNP637 | Used for gel molding |
| Cannula (ID 320 um, OD 432 um) | Polymicro Technologies | 1068150627 | Used to inject dye into gel brain |
| Cannula (ID 450 um, OD 666 um) | Polymicro Technologies | 1068150625 | Used to inject dye into gel brain |
| Catheter Connector | B Braun | PCC2000 | Perifix for 20-24 Gage epidural catheters; Units per Cs 50 |
| Dremel 3D Digilab 3D45 printer | Dremel | F0133D45AA | Used for prototyping in PLA |
| ECOWORKS | Stratasys | 300-00104 | Used to dissolve QSR support structures |
| Erlymeyer flask | Pyrex | 4980 | Used for gel molding |
| Ethyl cyanoacrylate | The Original Super Glue Corp. | 15187 | Used to make combined cannula |
| Graduated cylinder | 3023 | Used for gel molding | |
| HATCHBOX PLA 3D Printer Filament | HATCHBOX | 3DPLA-1KG1.75-RED/3DPLA-1KG1.75-BLACK | 1kg Spool, 1.75mm, Red/Black |
| Locust Bean Gum | Modernist Pantry | 1018 | Gumming agent for gel brain mixtures |
| MATLAB | MathWorks | R2019b | Used for skull extraction |
| McCormick Yellow Food Color | McCormick | Used for dye injection | |
| Microwave | Panasonic | NN-SD975S | Used for agarose curing |
| MR Imaging Software (3D Slicer) | 3D Slicer | Version 4.10.2 | Used for 3D model generation |
| MR Imaging Software (Mango with BET plugin) | Reasearch Imaging Institute | Version 4.1 | Used for brain extraction |
| Philips Acheiva MRI System | Philips | 4522 991 19391 | Used to image non-human primates |
| Phosphate Buffered Solution | Gibco | 70011-044 | 10X diluted with DI water to 1X |
| Pump | WPI | UMP3T-1 | Used for dye injection |
| Pump driver | WPI | UMP3T-1 | Used for dye injection |
| Refrigerator | General Electric | Used to preserve agarose gel | |
| Scientific Spatula | VWR | 82027-494 | Used to extract gel molds |
| SolidWorks | Dassault Systemes | 2019 | |
| Stratasys ABS-M30 filament | Stratasys | 333-60304 | Used for high quality 3D printing |
| Stratasys F170 3D printer | Stratasys | 123-10000 | Used for high quality 3D printing |
| Stratasys QSR support | Stratasys | 333-63500 | Used to create supports with ABS model |
| Syringe | SGE | SGE250TLL | Used for dye injection |
Riferimenti
- Phillips, K. A., et al. Why primate models matter. American Journal of Primatology. 76 (9), 801-827 (2014).
- Macknik, S. L., et al. Advanced Circuit and Cellular Imaging Methods in Nonhuman Primates. Journal of Neuroscience. 39 (42), 8267-8274 (2019).
- Seok, J., et al. Genomic responses in mouse models poorly mimic human inflammatory diseases. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. 110 (9), 3507-3512 (2013).
- Ju, N., Jiang, R., Macknik, S. L., Martinez-Conde, S., Tang, S. Long-term all-optical interrogation of cortical neurons in awake-behaving nonhuman primates. PLoS Biol. 16 (8), 2005839 (2018).
- Yazdan-Shahmorad, A., et al. Widespread optogenetic expression in macaque cortex obtained with MR-guided, convection enhanced delivery (CED) of AAV vector to the thalamus. Journal of Neuroscience Methods. 293, 347-358 (2018).
- Yazdan-Shahmorad, A., Silversmith, D. B., Kharazia, V., Sabes, P. N. Targeted cortical reorganization using optogenetics in nonhuman primates. Elife. 7, (2018).
- Ledochowitsch, P., et al. Strategies for optical control and simultaneous electrical readout of extended cortical circuits. Journal of Neuroscience Methods. 256, 220-231 (2015).
- Yao, Z., Yazdan-Shahmorad, A. A Quantitative Model for Estimating the Scale of Photochemically Induced Ischemic Stroke. Conference proceedings – IEEE Engineering in Medicine and Biology Society. 2018, 2744-2747 (2018).
- Yazdan-Shahmorad, A., Silversmith, D. B., Sabes, P. N. Novel techniques for large-scale manipulations of cortical networks in nonhuman primates. Conference proceedings – IEEE Engineering in Medicine and Biology Society. 2018, 5479-5482 (2018).
- Yazdan-Shahmorad, A., et al. A Large-Scale Interface for Optogenetic Stimulation and Recording in Nonhuman Primates. Neuron. 89 (5), 927-939 (2016).
- Yazdan-Shahmorad, A., et al. Demonstration of a setup for chronic optogenetic stimulation and recording across cortical areas in nonhuman primates. SPIE BiOS. , (2015).
- Han, X. Optogenetics in the nonhuman primate. Progress in Brain Research. 196, 215-233 (2012).
- Acker, L., Pino, E. N., Boyden, E. S., Desimone, R. FEF inactivation with improved optogenetic methods. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. 113 (46), 7297-7306 (2016).
- May, T., et al. Detection of optogenetic stimulation in somatosensory cortex by nonhuman primates–towards artificial tactile sensation. PLoS One. 9 (12), 114529 (2014).
- Griggs, D. J., K, K., Philips, S., Chan, J. W., Ojemann, W. K. S., Yazdan-Shahmorad, A. Optimized large-scale optogenetic interface for nonhuman primates. SPIE BiOS. , (2019).
- Khateeb, K., Griggs, D. J., Sabes, P. N., Yazdan-Shahmorad, A. Convection Enhanced Delivery of Optogenetic Adeno-associated Viral Vector to the Cortex of Rhesus Macaque Under Guidance of Online MRI Images. Journal of Visualized Experiments. (147), (2019).
- Lucas, T. H., Fetz, E. E. Myo-cortical crossed feedback reorganizes primate motor cortex output. Journal of Neuroscience. 33 (12), 5261-5274 (2013).
- Jackson, A., Mavoori, J., Fetz, E. E. Long-term motor cortex plasticity induced by an electronic neural implant. Nature. 444 (7115), 56-60 (2006).
- Paxinos, G., Huang, X. F., Petrides, M., Toga, A. W. . The Rhesus Monkey Brain in Stereotaxic Coordinates. 2nd Edition. , (2008).
- Krauze, M. T., et al. Reflux-free cannula for convection-enhanced high-speed delivery of therapeutic agents. Journal of Neurosurgery. 103 (5), 923-929 (2005).
- Chen, Z. J., et al. A realistic brain tissue phantom for intraparenchymal infusion studies. Journal of Neurosurgery. 101 (2), 314-322 (2004).
- Cheng, H., et al. Prolonged operative duration is associated with complications: a systematic review and meta-analysis. Journal of Surgical Research. 229, 134-144 (2018).
- Michikawa, T., et al. Automatic extraction of endocranial surfaces from CT images of crania. PLoS One. 12 (4), 0168516 (2017).
- Soliman, A. S., et al. A realistic phantom for validating MRI-based synthetic CT images of the human skull. Medical Physics. 44 (9), 4687-4694 (2017).
- Blonde, J. D., et al. Customizable cap implants for neurophysiological experimentation. Journal of Neuroscience Methods. 304, 103-117 (2018).
- Overton, J. A., et al. Improved methods for acrylic-free implants in nonhuman primates for neuroscience research. Journal of Neurophysiology. 118 (6), 3252-3270 (2017).
- Lohmeier, J., Kaneko, T., Hamm, B., Makowski, M. R., Okano, H. atlasBREX: Automated template-derived brain extraction in animal MRI. Scientific Reports. 9 (1), 12219 (2019).
- Ortiz-Rios, M., et al. Improved methods for MRI-compatible implants in nonhuman primates. Journal of Neuroscience Methods. 308, 377-389 (2018).
- Nishimura, Y., Perlmutter, S. I., Eaton, R. W., Fetz, E. E. Spike-timing-dependent plasticity in primate corticospinal connections induced during free behavior. Neuron. 80 (5), 1301-1309 (2013).
- Seeman, S. C., Mogen, B. J., Fetz, E. E., Perlmutter, S. I. Paired Stimulation for Spike-Timing-Dependent Plasticity in Primate Sensorimotor Cortex. Journal of Neuroscience. 37 (7), 1935-1949 (2017).
- Sedaghat-Nejad, E., et al. Behavioral training of marmosets and electrophysiological recording from the cerebellum. Journal of Neurophysiology. 122 (4), 1502-1517 (2019).
- Schweizer-Gorgas, D., et al. Magnetic resonance imaging features of canine gliomatosis cerebri. Veterinary Radiology & Ultrasound. 59 (2), 180-187 (2018).
- Galvan, A., et al. Nonhuman Primate Optogenetics: Recent Advances and Future Directions. Journal of Neuroscience. 37 (45), 10894-10903 (2017).
- Galvan, A., Caiola, M. J., Albaugh, D. L. Advances in optogenetic and chemogenetic methods to study brain circuits in nonhuman primates. Journal of Neural Transmission. 125 (3), 547-563 (2018).
Citazione di questo articolo
Ojemann, W. K., Griggs, D. J., Ip, Z., Caballero, O., Jahanian, H., Martinez-Conde, S., Macknik, S., Yazdan-Shahmorad, A. A MRI-Based Toolbox for Neurosurgical Planning in Nonhuman Primates. J. Vis. Exp. (161), e61098, doi:10.3791/61098 (2020).