JoVE Journal > Bioengineering
Summary
Abstract
Introduction
Protocol
Risultati
Discussion
Divulgazioni
Acknowledgements
Materials
Riferimenti
Traduzione automatica
Please note that all translations are automatically generated. Click here for the English version.
Bioingegneria

Набор инструментов для проектирования нейронных имплантатов для нечеловекообразных приматов

Published: February 09, 2024
doi:
10.3791/66167
, , , , ,
1Department of Bioengineering, Washington National Primate Research Center,University of Washington, 2Department of Electrical and Computer Engineering, Washington National Primate Research Center,University of Washington, 3Department of Biomedical Engineering,Purdue University

Summary

В данной статье описываются автоматизированные процессы нейрохирургического планирования нечеловеческих приматов на основе магнитно-резонансной томографии (МРТ). Эти методы используют процедурные этапы в программировании и разработке платформ для поддержки индивидуального дизайна имплантатов для NHP. Валидность каждого компонента может быть подтверждена с помощью трехмерных (3D) напечатанных анатомических моделей в натуральную величину.

Abstract

В данной статье описывается собственный метод 3D-моделирования мозга и черепа с помощью магнитно-резонансной томографии (МРТ), адаптированный для нейрохирургического планирования у нечеловекообразных приматов (NHP). Этот автоматизированный метод, основанный на вычислительном программном обеспечении, обеспечивает эффективный способ извлечения признаков мозга и черепа из файлов МРТ, в отличие от традиционных методов ручного извлечения с использованием программного обеспечения для визуализации. Кроме того, процедура обеспечивает метод визуализации головного мозга и черепа вместе для интуитивно понятного, виртуального хирургического планирования. Это приводит к резкому сокращению времени и ресурсов по сравнению с предыдущими работами, которые полагались на итеративную 3D-печать. В процессе моделирования черепа создается след, который экспортируется в программное обеспечение для моделирования для проектирования индивидуальных камер черепа и оголовков для хирургической имплантации. Хирургические имплантаты, подобранные по индивидуальному заказу, сводят к минимуму зазоры между имплантатом и черепом, которые могут привести к осложнениям, включая инфекцию или снижение стабильности. Выполняя эти предоперационные этапы, уменьшаются хирургические и экспериментальные осложнения. Эти методы могут быть адаптированы для других хирургических процессов, что способствует более эффективному и действенному планированию экспериментов для исследователей и, возможно, нейрохирургов.

Introduction

Нечеловекообразные приматы являются бесценными моделями для трансляционных медицинских исследований, потому что они эволюционно и поведенчески похожи на людей. NHP приобрели особое значение в доклинических исследованиях нейроинженерии, потому что их мозг является очень релевантной моделью нейронной функции и дисфункции1,2,3,4,5,6,7,8. Некоторые мощные методы стимуляции и регистрации мозга, такие как оптогенетика, визуализация кальция и другие, лучше всего подходят для прямого доступа к мозгу через краниальные окна9,10,11,12,13,14,15,16,17,18,19,20,21,22,23. В НХП краниальные окна часто достигаются с камерой и искусственной твердой мозговой оболочкой для защиты мозга и поддержки долгосрочных экспериментов8,10,12,17,18,24,25,26,27. Кроме того, оголовья часто сопровождают камеры для стабилизации и выравнивания головы во время экспериментов14,15,25,26,28,29,30. Эффективность этих компонентов сильно зависит от того, насколько хорошо они вписываются в череп. Более близкое прилегание к черепу способствует интеграции костей и здоровью черепа, снижая вероятность инфекции, остеонекроза и нестабильности имплантата31. Традиционные методы проектирования, такие как ручное сгибание стойки во время операции25,29 и оценка кривизны черепа путем подгонки кругов к корональным и сагиттальным срезам магнитно-резонансной томографии (МРТ)9,12 могут возникнуть осложнения из-за неточности. Даже самые точные из них создают зазоры 1-2 мм между имплантатом и черепом, обеспечивая пространство для накопления грануляционной ткани29. Эти зазоры дополнительно затрудняют установку винтов в хирургии9, ставя под угрозу стабильность имплантата. В последнее время были разработаны индивидуальные имплантаты для улучшения остеоинтеграции и долговечности имплантатов9,29,30,32. Дополнительные расходы сопровождаются прогрессом в разработке индивидуальных имплантатов из-за зависимости от вычислительных моделей. Для наиболее точных методов требуется сложное оборудование, такое как аппараты компьютерной томографии (КТ) в дополнение к аппаратам МРТ (МРТ)30,32,33 и даже фрезерные станки с числовым программным управлением (ЧПУ) для разработки прототипов имплантатов25,29,32,34. Получение доступа как к МРТ, так и к КТ, особенно для использования с NHP, может быть неосуществимо для лабораторий, нуждающихся в индивидуально подобранных имплантатах, таких как камеры черепа и подголовники.

В результате, в обществе существует потребность в недорогих, точных и неинвазивных методах нейрохирургического и экспериментального планирования, которые облегчают проектирование и валидацию имплантатов перед использованием. В данной статье описывается метод создания виртуальных 3D-изображений мозга и черепа на основе данных МРТ для планирования местоположения трепанации черепа и проектирования специальных камер черепа и оголовьев, соответствующих черепу. Эта оптимизированная процедура обеспечивает стандартизированную конструкцию, которая может принести пользу результатам экспериментов и благополучию подопытных животных. Для этого моделирования требуется только МРТ, потому что на МРТ визуализируются как кости, так и мягкие ткани. Вместо того, чтобы использовать фрезерный станок с ЧПУ, модели можно напечатать на 3D-принтере недорого, даже если требуется несколько итераций. Это также позволяет напечатать окончательный дизайн на 3D-принтере из биосовместимых металлов, таких как титан, для имплантации. Кроме того, мы опишем изготовление искусственной твердой мозговой оболочки, которая помещается внутрь черепной камеры при имплантации. Эти компоненты могут быть проверены до хирургического вмешательства, путем установки всех частей на напечатанную на 3D-принтере модель черепа и мозга в натуральную величину.

Protocol

Все процедуры, связанные с животными, были одобрены Комитетом Института по уходу за животными и их использованию при Вашингтонском университете. Всего в этом исследовании были использованы четыре взрослых самца макак-резусов (Macaca mulatta). На момент получения МРТ обезьяне H было 7 лет, …

Representative Results

Эти компоненты ранее были проверены с помощью комбинации МРТ-визуализации и анатомических моделей, напечатанных на 3D-принтере. Сравнивая автоматизированную визуализацию трепанации черепа с 3D-печатной трепанацией черепа и МРТ в месте трепанации черепа, становится оч…

Discussion

В этой статье описывается простой и точный метод нейрохирургического планирования, который не только полезен для разработки компонентов, используемых для имплантации краниального окна NHP, но и может быть перенесен в другие области исследований в области нейробиологии NHP 13,15,25.<sup class="xref…

Divulgazioni

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

Мы хотели бы поблагодарить Тони Хауна, Кита Фогеля и Шона Фишера за их техническую помощь и поддержку. Эта работа была поддержана Фондом Мэри Гейтс Вашингтонского университета (R.I.), Национальным институтом здравоохранения NIH 5R01NS116464 (T.B., A.Y.), NIH R01 NS119395 (D.J.G., A.Y.), Вашингтонским национальным исследовательским центром приматов (WaNPRC, NIH P51 OD010425, U42 OD011123), Центром нейротехнологий (EEC-1028725, Z.A., D.J.G.) и Weill Neurohub (Z.I.).

Materials

3D Printing Software (Simplify 3D) (Paid) Simplify3D Version 4.1 Used for 3D printing using MakerGear printer
C-Clamp Bessey CM22 Used for artificial dura fabrication, 2-1/2 Inch Capacity, 1-3/8 Inch Throat
Formlabs Form 3+ 3D Printer Formlabs Form 3+ Used for precise 3D printing
MakerGear M2 3D Printer MakerGear M2 revG Used for 3D printing implant prototypes
MATLAB (Paid) MathWorks R2021b Used for brain and skull isolation, virtual craniotomy visualization and skull STL reduction
Phillips Acheiva MRI System Philips 4522 991 19391 Used for non-human primate imaging
Photopolymer Resin Formlabs FLGPGR04 1L, Grey, used for precise 3D prints with Formlabs printer 
PreForm Print Preparation Software Formlabs Version 2.17.0 Used for 3D printing with Formlabs printer 
Printing Filament (PLA) MatterHackers 88331 PLA 1.75 mm White. Used for 3D printing with MakerGear printer
Silicone CAT-1300 Shin-Etsu Used for artificial dura fabrication
Silicone KE1300-T Shin-Etsu Used for artificial dura fabrication
SolidWorks (Paid) Dassault Systems 2020 Used for chamber and headpost design
Syn.Flex-S Multicoil Philips 45221318123 Used for non-human primate imaging
DOWNLOAD MATERIALS LIST

Riferimenti

  1. Mitchell, A. S., et al. Continued need for nonhuman primate neuroscience research. Current Biology. 28 (20), R1186-R1187 (2018).
  2. Stanis, N., Khateeb, K., Zhou, J., Wang, R. K., Yazdan-Shahmorad, A. Protocol to study ischemic stroke by photothrombotic lesioning in the cortex of nonhuman primates. STAR Protocols. 4 (3), 102496 (2023).
  3. Tremblay, S., et al. An open resource for nonhuman primate optogenetics. Neuron. 108 (6), 1075-1090 (2020).
  4. Zhou, J., et al. Neuroprotective effects of electrical stimulation following ischemic stroke in nonhuman primates. 2022 44th Annual International Conference of the IEEE Engineering in Medicine & Biology Society (EMBC). 2022, 3085-3088 (2022).
  5. Yao, Z., Yazdan-Shahmorad, A. A quantitative model for estimating the scale of photochemically induced ischemic stroke. 2018 40th Annual International Conference of the IEEE Engineering in Medicine and Biology Society (EMBC). 2018, 2744-2747 (2018).
  6. Yazdan-Shahmorad, A., Silversmith, D. B., Kharazia, V., Sabes, P. N. Targeted cortical reorganization using optogenetics in nonhuman primates. eLife. 7, e31034 (2018).
  7. Macknik, S. L., et al. Advanced circuit and cellular imaging methods in nonhuman primates. The Journal of Neuroscience. 39 (42), 8267-8274 (2019).
  8. Griggs, D. J., Belloir, T., Yazdan-Shahmorad, A. Large-scale neural interfaces for optogenetic actuators and sensors in non-human primates. SPIE BiOS. , (2021).
  9. Yazdan-Shahmorad, A., et al. A Large-scale interface for optogenetic stimulation and recording in nonhuman primates. Neuron. 89 (5), 927-939 (2016).
  10. Ruiz, O., et al. Optogenetics through windows on the brain in the nonhuman primate. Journal of Neurophysiology. 110 (6), 1455-1467 (2013).
  11. Griggs, D. J., Khateeb, K., Philips, S., Chan, J. W., Ojemann, W., Yazdan-Shahmorad, A. Optimized large-scale optogenetic interface for nonhuman primates. SPIE BiOS. , (2019).
  12. Yazdan-Shahmorad, A., Diaz-Botia, C., Hanson, T., Ledochowitsch, P., Maharabiz, M. M., Sabes, P. N. Demonstration of a setup for chronic optogenetic stimulation and recording across cortical areas in non-human primates. SPIE BiOS. , (2015).
  13. Bollimunta, A., et al. Head-mounted microendoscopic calcium imaging in dorsal premotor cortex of behaving rhesus macaque. Cell Reports. 35 (11), 109239 (2021).
  14. Hacking, S. A., et al. Surface roughness enhances the osseointegration of titanium headposts in nonhuman primates. Journal of Neuroscience Methods. 211 (2), 237-244 (2012).
  15. Romero, M. C., Davare, M., Armendariz, M., Janssen, P. Neural effects of transcranial magnetic stimulation at the single-cell level. Nature Communications. 10 (1), 2642 (2019).
  16. Khateeb, K., et al. A versatile toolbox for studying cortical physiology in primates. Cell Reports Methods. 2 (3), 100183 (2022).
  17. Griggs, D. J., Khateeb, K., Zhou, J., Liu, T., Wang, R., Yazdan-Shahmorad, A. Multi-modal artificial dura for simultaneous large-scale optical access and large-scale electrophysiology in nonhuman primate cortex. Journal of Neural Engineering. 18 (5), 055006 (2021).
  18. Belloir, T., et al. Large-scale multimodal surface neural interfaces for primates. iScience. 26 (1), 105866 (2023).
  19. Khateeb, K., et al. A practical method for creating targeted focal ischemic stroke in the cortex of nonhuman primates. 2019 41st Annual International Conference of the IEEE Engineering in Medicine and Biology Society (EMBC). , 3515-3518 (2019).
  20. Griggs, D., Belloir, T., Zhou, J., Yazdan-Shahmorad, A. Convection Enhanced Delivery of Viral Vectors. Vectorology for Optogenetics and Chemogenetics. , (2023).
  21. 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), e59232 (2019).
  22. 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).
  23. Griggs, D. J., et al. Improving the efficacy and accessibility of intracranial viral vector delivery in nonhuman primates. Pharmaceutics. 14 (7), 1435 (2022).
  24. Chen, L. M., Heider, B., Williams, G. V., Healy, F. L., Ramsden, B. M., Roe, A. W. A chamber and artificial dura method for long-term optical imaging in the monkey. Journal of Neuroscience Methods. 113 (1), 41-49 (2002).
  25. Adams, D. L., Economides, J. R., Jocson, C. M., Horton, J. C. A Biocompatible titanium headpost for stabilizing behaving monkeys. Journal of Neurophysiology. 98 (2), 993-1001 (2007).
  26. Bloch, J., Greaves-Tunnell, A., Shea-Brown, E., Harchaoui, Z., Shojaie, A., Yazdan-Shahmorad, A. Network structure mediates functional reorganization induced by optogenetic stimulation of nonhuman primate sensorimotor cortex. iScience. 25 (5), 104285 (2022).
  27. Bloch, J. A., Khateeb, K., Silversmith, D. B., O’Doherty, J. E., Sabes, P. N., Yazdan-Shahmorad, A. Cortical stimulation induces network-wide coherence change in nonhuman primate somatosensory cortex. 2019 41st Annual International Conference of the IEEE Engineering in Medicine and Biology Society (EMBC). , 6446-6449 (2019).
  28. Vnek, N., Ramsden, B. M., Hung, C. P., Goldman-Rakic, P. S., Roe, A. W. Optical imaging of functional domains in the cortex of the awake and behaving monkey. Proceedings of the National Academy of Sciences. 96 (7), 4057-4060 (1999).
  29. Psarou, E., et al. Modular, cement-free, customized headpost and connector-chamber implants for macaques. Journal of Neuroscience Methods. 393, 109899 (2023).
  30. Chen, X., Possel, J. K., Wacongne, C., van Ham, A. F., Klink, P. C., Roelfsema, P. R. 3D printing and modelling of customized implants and surgical guides for nonhuman primates. Journal of Neuroscience Methods. 286, 38-55 (2017).
  31. Prescott, M. J., Poirier, C. The role of MRI in applying the 3Rs to nonhuman primate neuroscience. NeuroImage. 225, 117521 (2021).
  32. Basso, M. A., et al. Using non-invasive neuroimaging to enhance the care, well-being and experimental outcomes of laboratory nonhuman primates (monkeys). NeuroImage. 228, 117667 (2021).
  33. Ahmed, Z., Agha, N., Trunk, A., Berger, M., Gail, A. Universal guide for skull extraction and custom-fitting of implants to continuous and discontinuous skulls. eNeuro. 9 (3), (2022).
  34. Blonde, J. D., et al. Customizable cap implants for neurophysiological experimentation. Journal of Neuroscience Methods. 304, 103-117 (2018).
  35. Ojemann, W. K. S., et al. A MRI-based toolbox for neurosurgical planning in nonhuman primates. Journal of Visualized Experiments. (161), e61098 (2020).
  36. Make STL of 3D array (Optimal for 3D printing). MathWorks Available from: https://www.mathworks.com/matlabcentral/fileexchange/68794-make-stl-of-3d-array-optimal-for-3d-printing (2018)
  37. . stlwrite – Write binary or ascii STL file Available from: https://www.mathworks.com/matlabcentral/fileexchange/36770-stlwrite-write-binary-or-ascii-stl-file (2023)
  38. Michikawa, T., Suzuki, H., Moriguchi, M., Ogihara, N., Kondo, O., Kobayashi, Y. Automatic extraction of endocranial surfaces from CT images of crania. PLoS One. 12 (4), 0168516 (2017).
  39. Overton, J. A., Cooke, D. F., Goldring, A. B., Lucero, S. A., Weatherford, C., Recanzone, G. H. Improved methods for acrylic-free implants in nonhuman primates for neuroscience research. Journal of Neurophysiology. 118 (6), 3252-3270 (2017).
  40. Ortiz-Rios, M., et al. Improved methods for MRI-compatible implants in nonhuman primates. Journal of Neuroscience Methods. 308, 377-389 (2018).

Tags

Neural ImplantBrain ModelingSkull ModelingNonhuman PrimatesNeurosurgical Planning3D Modeling3D PrintingCustom ImplantsCranial ChambersHead PostsMagnetic Resonance ImagingComputational SoftwareSurgical Complications
check_url/it/66167?article_type=t

Play Video
PDF
DOI
DOWNLOAD MATERIALS LIST
Citazione di questo articolo
Iritani, R., Belloir, T., Griggs, D. J., Ip, Z., Anderson, Z., Yazdan-Shahmorad, A. A Neural Implant Design Toolbox for Nonhuman Primates. J. Vis. Exp. (204), e66167, doi:10.3791/66167 (2024).
Scarica citazione
Ristampe e autorizzazioni

View Video

✖

To prove you're not a robot, please enter the text in the image below

CAPTCHA Image
Play CAPTCHA Audio
Refresh Image