JoVE Journal > Medicine
Summary
Abstract
Introduction
Protocol
Results
Discussion
Disclosures
Acknowledgements
Materials
References
자동 번역
의학

Kirurgiske uddannelse til Implantation af Neocortical mikroelektrode Arrays ved brug af en formaldehyd-fast menneskelige Kadaver Model

Published: November 19, 2017
doi:
10.3791/56584
, , , , , , ,
1Wyss Center for Bio and Neuroengineering, Geneva, 2Division of Neurology, Department of Clinical Neuroscience,Geneva University Hospitals, 3Department of Neurosurgery,Brigham and Women’s Hospital, Harvard Medical School, 4Division of Neurosurgery, Department of Clinical Neuroscience,Geneva University Hospitals, 5Clinical Anatomy Research Group, Department of Cell Physiology and Metabolism, Faculty of Medicine,University of Geneva

Summary

Vi har udviklet en procedure, hvor en formaldehyd-fast menneskelige Kadaver bruges til at hjælpe neurokirurger i uddannelse til implantation af mikroelektrode arrays til neocortex af den menneskelige hjerne.

Abstract

Denne protokol beskriver en procedure for at bistå kirurger under uddannelse til implantation af mikroelektrode arrays til neocortex af den menneskelige hjerne. De seneste teknologiske fremskridt har aktiveret fabrikation af mikroelektrode arrays, der giver mulighed for optagelse aktiviteten af flere individuelle neuroner i neocortex af den menneskelige hjerne. Disse arrays har potentiale til at bringe unikke indsigt på de neuronale korrelerer af cerebral funktion i sundhed og sygdom. Desuden, identifikation og afkodning af viljesmæssige neuronal aktivitet åbner mulighed for at etablere brain computer interfaces, og dermed kan bidrage til at genoprette tabt neurologiske funktioner. Implantation af neocortical mikroelektrode arrays er en invasiv procedure, der kræver en supra centimetric kraniotomi og eksponering af kortikale overflade; således, proceduren, der skal udføres af en tilstrækkeligt uddannet neurokirurg. For at give mulighed for kirurgiske uddannelse, designet vi en procedure baseret på menneskelige Kadaver model. Brug af en formaldehyd-fast menneskelige Kadaver omgår de praktiske, etiske og økonomiske vanskeligheder i kirurgisk praksis på dyr (især ikke-menneskelige primater) samtidig bevare den makroskopiske struktur af hoved, kraniet, hjernehinderne og cerebral overflade og giver mulighed for realistisk, operationsstuen-lignende positionering og instrumentation. Desuden er brug af en menneskelig Kadaver tættere på klinisk daglig praksis end enhver ikke-menneskelige model. De store ulemper ved dødt simuleringen er fravær af cerebral pulsering og blod og cerebrospinalvæske omsætning. Vi foreslår, at formaldehyd-fast menneskelige Kadaver model er en passende, praktisk og omkostningseffektiv tilgang at sikre ordentlig kirurgiske uddannelse før implanterer mikroelektrode arrays i levende menneskelige neocortex.

Introduction

De seneste år har set en udvikling af teknologiske løsninger til udfordring registrere aktiviteten af flere individuelle neuroner i levende hjerne1,2,3. Silicium-baserede mikroelektrode arrays udfører tilsvarende til konventionelle wire microelectrodes i form af signal egenskaber, og de kan optage fra snesevis til hundredvis af neuroner i en lille plet af cerebral væv4,5, 6 , 7. mikroelektrode arrays har tilladt forskere at fastslå overensstemmelsen mellem neurale aktivitet i den primære motor cortex af aber og arm bevægelser8, som igen har givet et løft til udviklingen af hjerne-computer grænseflader (BCIs)9.

Mikroelektrode arrays har været brugt i mennesker i to situationer: som kronisk implantater til at styre BCIs og semi-kronisk implantater til at studere aktivitet af individuelle neuroner i patienter, der lider af epilepsi. Kronisk implantater, rettet mod den funktionelle repræsentation af hånd i primære motor cortex, have tilladt patienter lider af tetraplegi til at kontrollere bevægelse af en robotarm eller computer markører10,11,12 ,13. Semi-kronisk implantater, indsat sammen med subduralt electrocorticography (ECOG) elektroder i patienter med resistente epilepsi, der er kandidater til epilepsi kirurgi14, tillade single-enhed optagelser før, under og efter anfald, og er begyndt at kaste lys over aktiviteten af enkelt neuroner under og i mellem epileptiske anfald15,16,17,18,19. Mikroelektrode arrays har potentiale til at forbedre vores forståelse af hvordan hjernen fungerer ved at etablere en sammenhæng mellem aktiviteten af neuroner, på den ene side og de opfattelser, bevægelser og tanker om mennesker, både i sundhed og sygdom, på de andre20,21.

Silicium-baserede mikroelektrode arrays er nu tilgængelige kommercielt og deres brug i mennesker er blevet godkendt af de regulerende myndigheder i USA i semi-kronisk epilepsi indikationen. Men disse enheder er invasive og sættes ind i hjernen. De negative konsekvenser af forkert indsættelse teknik, ud over manglende enhed til at optage neuronal aktivitet, omfatte cerebral blødning og infektion med potentiale for langvarige eller permanente neurologiske dysfunktion. Selv om komplikation satsen af mikroelektrode array implantation er i øjeblikket ukendt, er potentielt alvorlige komplikationer under implantation af intrakranielle electroencefalografi (EEG) macroelectrodes 1-5%22, 23. derfor ordentlig implantation af mikroelektrode arrays kræver både omfattende neurokirurgiske færdigheder og proceduren-specifik træning.

Tilgange til kirurger til at finpudse deres færdigheder med mikroelektrode arrays i et sikkert miljø omfatter ikke-menneskelige pattedyr og menneskelige kadavere. Den ideelle uddannelsesmodel ville trofast reproducere størrelse og tykkelse af den menneskelige kranium; sejhed og vaskulære forgrening af dura; gyrification mønster, konsistens og pulsering af den menneskelige hjerne; tilstedeværelsen af cirkulerende blod og cerebrospinalvæske; og den samlede placering af emnet i en operationsstue (OR)-ligesom miljø. Dyremodeller skal således være af en tilstrækkelig størrelse til at give en meningsfuld oplevelse at kirurgerne. Store ikke-menneskelige primater kommer nærmeste, men deres brug for kirurgisk oplæring er uholdbar både ud fra et etisk perspektiv, og fordi de er dyre. Gnavere indtaster ikke overvejelse på grund af deres lille størrelse; bruger selv katte eller kaniner indebærer afviger væsentligt fra en OR-lignende miljø.

Menneskelige kadavere repræsenterer et attraktivt alternativ. Deres fordele omfatter muligheden for oprettelse af kirurgiske uddannelse i en OR-lignende miljø liv-lignende størrelse og form af hoved og hjerne. De mest oplagte afgange fra en realistisk situation er manglen på cerebral pulseringer og blødning og ændringer i aspekt og konsistens af kroppens væv, der er specifikke for teknikken ansat for Kadaver bevarelse24. Frisk frosset kadavere bevare sammenhæng og fleksibilitet af mange organer og væv til en vis grad, men de har flere ulemper: de starter nedværdigende som optøning begynder, så hjernen bliver også forringet for indsættelse af en mikroelektrode array skal udføres realistisk, og de er en relativt sjældne og dyre ressource. Formaldehyd-fast kadavere, på den anden side er mere overkommelige og tilgængelige og langt mere holdbare, på bekostning af hærdet væv konsistens.

Her, etablere vi en procedure, ved hjælp af en formaldehyd-fast menneskelige Kadaver model til en neurokirurgiske uddannelse implantation af en neocortical mikroelektrode array. Vores tilgang giver realistiske, OR-lignende positionering og instrumentation; udfører kraniotomi og durotomy og udsætte neocortical overfladen; vedhæfter elektrode piedestal på kraniet knoglen tilstødende kraniotomi; og indsætte mikroelektrode array i neocortex med en pneumatisk Slaglegemet25. Kritisk, det giver mulighed for kirurger til at praktisere den præcise justering af matrixen mikroelektrode, (som er tilsluttet den elektrode piedestal af et bundt af individuelt isoleret guld tråde) parallelt med den neocortical overflade26. Vores protokol replikater trofast angivelse af mikroelektrode array implantation sammen med ECOG implantation i patienter, der er kandidater til epilepsi kirurgi. Oplysninger om implantation kirurgi påvirkes betydeligt af den nøjagtige type af mikroelektrode array; her, beskrive vi proceduren for en matrix, der for nylig modtaget myndighedsgodkendelse til brug i mennesker i USA. Den såkaldte Utah array består af en 4 x 4 mm, 100 mikroelektrode gitter; en transkutan piedestal, der er knyttet til den eksterne tabel af kraniet; og en wire bundt forbinder to.

Protocol

Den menneskelige Kadaver bruges i dette arbejde blev fastsat inden for rammerne af kroppen donationer for medicinsk uddannelse. Blev indhentet informeret samtykke til kroppen donation skriftligt i løbet af donor. I overensstemmelse med de føderale og kantonalt love var ingen anmeldelse af en etisk komité nødvendigt. Bemærk: Denne protokol forudsætter, at de personer, der udfører praksis kirurgi er neurokirurger med uddannelse og ekspertise i standard neurokirurgiske procedurer, herunder…

Representative Results

Vores protokol bruger en formaldehyd-fikseret menneskelige Kadaver model til at give kirurger til at praktisere den kirurgiske procedure af implanterer en mikroelektrode array ind cerebral neocortex i et realistisk og OR-lignende miljø. Mulighed for at udføre post mortem neuroimaging, såsom head CT, vil bekræfte fravær af enhver betydelig intrakraniel læsion (figur 1A) og kan hjælpe med valg af webstedet implantation. Arbejder med en hele modellen og opsætning for kirurgi på en oper…

Discussion

Formaldehyd-fast menneskelige Kadaver model og kirurgisk protokollen beskrevet her replikere den kirurgiske procedure af implanterer mikroelektrode arrays i den menneskelige cerebral neocortex. Hvert trin i proceduren, herunder placering af mikroelektrode array og dens indsættelse med den pneumatiske inserter, fortsætte på næsten samme måde som i en virkelige liv patient, med undtagelsen at cerebral pulsering og omsætning er fraværende. De kritiske trin i protokollen er justeringen af mikroelektrode array med neoc…

Disclosures

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

Forfatterne er taknemmelig for, at Dr. Rob Franklin (Blackrock Microsystems), Prof. Margitta Seeck (Division of Neurology, Genève universitetshospitaler, Genève, Schweiz), Dr. Andrea Bartoli og Prof. Karl Schaller (Division af Neurokirurgi, Geneve Universitet Hospitaler, Genève, Schweiz), og Mr. Florent Burdin og Prof. John P. Donoghue (Wyss Center for Bio- og Neuroengineering, Genève, Schweiz) for deres støtte ved udarbejdelsen af den nuværende arbejde.

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
DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

  1. 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).
  2. Jones, K. E., Campbell, P. K., Normann, R. A. A glass/silicon composite intracortical electrode array. Ann. Biomed. Eng. 20 (4), 423-427 (1992).
  3. 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).
  4. Csicsvari, J., et al. Massively parallel recording of unit and local field potentials with silicon-based electrodes. J. Neurophysiol. 90 (2), 1314-1314 (2003).
  5. 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).
  6. 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).
  7. 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).
  8. Maynard, E. M., et al. Neuronal interactions improve cortical population coding of movement direction. J. Neurosci. 19 (18), 8083-8093 (1999).
  9. 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).
  10. Hochberg, L. R., et al. Neuronal ensemble control of prosthetic devices by a human with tetraplegia. Nature. 442 (7099), 164-171 (2006).
  11. Hochberg, L. R., et al. Reach and grasp by people with tetraplegia using a neurally controlled robotic arm. Nature. 485 (7398), 372 (2012).
  12. 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).
  13. 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).
  14. Seeck, M., Schomer, D. L., Niedermeyer, E. Intracranial Monitoring: Depth, Subdural, and Foramen Ovale Electrodes. Niedermeyer’s Electroencephalogr. , 677-714 (2011).
  15. Truccolo, W., et al. Single-neuron dynamics in human focal epilepsy. Nat. Neurosci. 14 (5), 635-641 (2011).
  16. Truccolo, W., et al. Neuronal ensemble synchrony during human focal seizures. J. Neurosci. 34 (30), 9927 (2014).
  17. Keller, C. J., et al. Heterogeneous neuronal firing patterns during interictal epileptiform discharges in the human cortex. Brain. 133 (Pt 6), 1668-1681 (2010).
  18. Schevon, C. A., et al. Evidence of an inhibitory restraint of seizure activity in humans. Nat. Commun. 3, 1060 (2012).
  19. Weiss, S. A., et al. Ictal high frequency oscillations distinguish two types of seizure territories in humans. Brain. 136 (Pt 12), 3796-3808 (2013).
  20. Cash, S. S., Hochberg, L. R. The Emergence of Single Neurons in Clinical Neurology. Neuron. 86 (1), 79-91 (2015).
  21. Donoghue, J. P. Bridging the brain to the world: a perspective on neural interface systems. Neuron. 60 (3), 511-521 (2008).
  22. 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).
  23. 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).
  24. 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).
  25. 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).
  26. 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).
  27. 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).
  28. 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).
  29. Cash, S. S., et al. The human K-complex represents an isolated cortical down-state. Science. 324 (5930), 1084-1087 (2009).
  30. Olabe, J., Olabe, J., Sancho, V. Human cadaver brain infusion model for neurosurgical training. Surg. Neurol. 72 (6), 700-702 (2009).
  31. 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).
  32. 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).
  33. 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).
  34. 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).
  35. 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).
  36. 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).
  37. Krishnamurthy, S., Powers, S. K. The use of fabric softener in neurosurgical prosections. Neurosurgery. 36 (2), 420-3-4at (1995).
  38. 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).
  39. 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).
  40. 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).
  41. 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).
  42. 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).
  43. 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).
  44. 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).

Tags

Microelectrode ArraysNeocortical ImplantationSurgical TrainingFormaldehyde-fixed Human Cadaver ModelNeurosurgeryBrain-computer InterfaceEpilepsyUtah ArrayCraniotomyDura MaterArachnoid MembraneCerebral Neocortex
check_url/kr/56584?article_type=t

Play Video
PDF
DOI
DOWNLOAD MATERIALS LIST
Cite This Article
Mégevand, P., Woodtli, A., Yulzari, A., Cosgrove, G. R., Momjian, S., Stimec, B. V., Corniola, M. V., Fasel, J. H. D. Surgical Training for the Implantation of Neocortical Microelectrode Arrays Using a Formaldehyde-fixed Human Cadaver Model. J. Vis. Exp. (129), e56584, doi:10.3791/56584 (2017).
Download Citation
Reprints and Permissions

View Video

✖

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

CAPTCHA Image
Play CAPTCHA Audio
Refresh Image