Chirurgische Ausbildung für die Implantation der neokortikalen Mikroelektrode Arrays mit einem Formaldehyd-feste menschliche Kadaver-Modell
Summary
Wir entwarfen ein Verfahren, in dem eine Formaldehyd-feste menschliche Kadaver ist, Neurochirurgen in der Ausbildung für die Implantation der Mikroelektrode Arrays in der Großhirnrinde des menschlichen Gehirns zu unterstützen.
Abstract
Dieses Protokoll beschreibt ein Verfahren zur Chirurgen in der Ausbildung für die Implantation der Mikroelektrode Arrays in der Großhirnrinde des menschlichen Gehirns zu unterstützen. Jüngsten technologischen Fortschritte ermöglichte die Herstellung der Mikroelektrode Arrays, die Aufzeichnung mehrerer einzelner Neuronen in der Großhirnrinde des menschlichen Gehirns zu ermöglichen. Diese Arrays haben das Potenzial, einzigartigen Einblick auf die neuronalen Korrelate der zerebralen Funktion in Gesundheit und Krankheit zu bringen. Darüber hinaus die Identifizierung und Dekodierung von willentlichen neuronaler Aktivität eröffnet die Möglichkeit, Gehirn-Computer Schnittstellen zu etablieren, und so könnte helfen, verlorene neurologische Funktionen wiederherzustellen. Die Implantation der neokortikalen Mikroelektrode Arrays ist ein invasives Verfahren erfordern eine supra-zentimeterlangen Kraniotomie und die Belichtung der kortikalen Oberfläche; Somit muss das Verfahren durch eine angemessen ausgebildete Neurochirurgen durchgeführt werden. Um eine Chance für chirurgische Ausbildung zu bieten, haben wir ein Verfahren basiert auf einem menschlichen Kadaver-Modell entwickelt. Die Verwendung von einem Formaldehyd fixiert menschliche Kadaver umgeht die praktischen, ethischen und finanziellen Schwierigkeiten der chirurgischen Praxis an Tieren (vor allem nicht-menschlichen Primaten) unter Beibehaltung der makroskopischen Struktur der Kopf, Schädel, Hirnhäute und zerebralen Oberfläche und ermöglicht realistische, OP-Saal-wie Positionierung und Instrumentierung. Darüber hinaus ist die Verwendung von einem menschlichen Kadaver näher an klinischen Praxis als jedes nichtmenschlichen Modell. Die größten Nachteile der cadaveric Simulation sind das Fehlen der zerebralen Pulsation und Zirkulation von Blut und Liquor cerebrospinalis. Wir empfehlen eine Formaldehyd-feste menschliche Kadaver-Modell ist eine angemessene, praktische und kostengünstige Ansatz, um angemessene chirurgische Ausbildung vor der Implantation Mikroelektrode Arrays in der lebenden menschlichen Neocortex zu gewährleisten.
Introduction
Den letzten Jahren haben die Entwicklung von technologischen Lösungen für die Herausforderung der Aufzeichnung mehrerer einzelner Neuronen im Wohnzimmer gesehen1,2,3des Gehirns. Silizium-basierten Mikroelektrode Arrays führen ebenso zu herkömmlichen Draht Mikroelektroden in Bezug auf die Signaleigenschaften, und sie können aus Dutzenden, Hunderten von Neuronen in einem kleinen Flecken des zerebralen Gewebe4,5, aufzeichnen 6 , 7. Mikroelektrode Arrays konnten Wissenschaftler herstellen die Korrespondenz zwischen neuronaler Aktivität im primären motorischen Kortex des Affen und Arm Bewegungen8, die wiederum einen Impuls für die Entwicklung von Gehirn-Computer zur Verfügung gestellt hat Schnittstellen (BCIs)9.
Mikroelektrode Arrays wurden beim Menschen in zwei Situationen verwendet: als chronische Implantate zu kontrollieren BCIs sowie Semi-chronische Implantate, die Aktivität von einzelnen Neuronen bei Patienten mit Epilepsie zu studieren. Chronische Implantate, gezielt funktionelle Darstellung der Hand im primären motorischen Kortex, haben Patienten mit Tetraplegie bis die Bewegung eines Roboterarms oder vom Computer Cursor10,11,12 Steuern erlaubt. ,13. Semi-chronische Implantate eingefügt zusammen mit subduralen Electrocorticography (ECOG) Elektroden bei Patienten mit pharmakoresistente Epilepsie, die Kandidaten für Epilepsie Chirurgie14, ermöglichen Monoblock-Aufnahmen vor, während und nach der Anfälle, und haben damit begonnen, die Aufschluss über die Aktivität der einzelnen Neuronen während und zwischen epileptischen Anfällen15,16,17,18,19. Mikroelektrode Arrays haben das Potenzial, die wesentlich zu einem besseren Verständnis der Funktionsweise des Gehirns durch eine Verbindung zwischen der Aktivität von Neuronen, auf der einen Seite und die Wahrnehmungen, Bewegungen und Gedanken des Menschen, in Gesundheit und in Krankheit, auf20,21.
Silizium-basierten Mikroelektrode Arrays sind jetzt im Handel erhältlich und ihre Verwendung beim Menschen durch die Regulierungsbehörden in den USA in der semi-chronische Epilepsie Indikation genehmigt wurde. Aber diese Geräte sind invasive und müssen ins Gehirn eingesetzt werden. Die negativen Folgen der unsachgemäßen Einfügung Technik, über das Scheitern des Gerätes zu erfassen neuronaler Aktivität umfassen zerebrale Blutung und Infektion, mit dem Potential für lang anhaltende oder dauerhafte neurologische Dysfunktion. Obwohl die Komplikationsrate der Mikroelektrode Array Implantation derzeit unbekannt ist, ist die Rate der potenziell schwerwiegende Komplikationen bei der Implantation von intrakraniellen Elektroenzephalographie (EEG) Macroelectrodes 1-5 %22, 23. daher die korrekte Implantation Mikroelektrode Arrays erfordert umfangreiche neurochirurgische Fertigkeiten und Verfahren-spezifisches Training.
Die Ansätze für Chirurgen, ihre Fähigkeiten mit Mikroelektrode Arrays in einer sicheren Umgebung zu verbessern sind nicht-menschlichen Säugetieren und menschlichen Leichen. Das ideale Trainings-Modell würde die Größe und Dicke des menschlichen Schädels originalgetreu wiederzugeben; die Zähigkeit und vaskuläre Verzweigung der Dura; Das Gyrification Muster, Konsistenz und Pulsation des menschlichen Gehirns; das Vorhandensein von Blut und Liquor cerebrospinalis zirkuliert; und die gesamte Positionierung des Themas in einem OP-Saal (OR)-wie die Umwelt. Tiermodelle müssen daher eine ausreichende Größe, den Chirurgen eine bedeutsame Erfahrung anzubieten. Große nicht-menschlichen Primaten am nächsten kommen, aber ihre Verwendung für chirurgische Ausbildung ist nicht nachhaltig sowohl aus ethischer Perspektive und weil sie teuer sind. Nagetiere geben aufgrund ihrer geringen Größe nicht berücksichtigt; auch Katzen oder Kaninchen die Verwendung bedeutet eine OR-ähnlichen Umgebung deutlich abweichende.
Menschliche Leichen stellen eine attraktive Alternative dar. Ihre Vorteile sind lebensechte Größe und Form des Kopfes und des Gehirns sowie die Möglichkeit, chirurgische Ausbildung in einer OR-ähnlichen Umgebung einzurichten. Die offensichtlichsten Abweichungen von einer realistischen Situation sind das Fehlen von zerebralen Pulsationen und Blutungen und die Veränderungen in Aussehen und Konsistenz des Körpergewebes, die speziell für die Technik, die für Kadaver Erhaltung24. Tiefkühlfrische Kadaver zu bewahren, die Konsistenz und Flexibilität vieler Organe und Gewebe zu einem gewissen Grad, aber sie haben mehrere Nachteile: sie beginnen erniedrigender als Auftauen beginnt, so dass das Gehirn auch für das Einfügen von einer Mikroelektrode abgebaut wird Array realistisch durchgeführt werden, und sie sind eine relativ seltene und teure Ressource. Formaldehyd-feste Leichen, auf der anderen Seite sind erschwinglicher und verfügbar und viel haltbarer, auf Kosten der verhärteten Gewebe Konsistenz.
Hier schaffen wir eine Prozedur mit einem Formaldehyd-feste menschliche Kadaver Modell neurochirurgische Ausbildung für die Implantation eines neokortikalen Mikroelektrode Arrays bieten. Unser Ansatz ermöglicht realistische, OR-wie Positionierung und Instrumentierung; Kraniotomie und Durotomy und Aussetzen der neokortikalen Oberfläche; Befestigung des Elektrode-Sockels auf dem benachbarten die Kraniotomie Schädelknochen; und in der Großhirnrinde mit einer pneumatischen Impaktor25Mikroelektrode Array einfügen. Entscheidend ist, ermöglicht es Chirurgen, die präzise Ausrichtung des Mikroelektrode Arrays zu üben (die mit der Elektrode Sockel durch ein Bündel von einzeln isolierte Golddrähte verbunden ist) parallel zu der neokortikalen Oberfläche26. Unser Protokoll repliziert treu die Angabe der Mikroelektrode Array Implantation zusammen mit ECOG-Implantation bei Patienten, die Kandidaten für die Epilepsiechirurgie sind. Die Angaben über die Implantation Operation werden maßgeblich durch die genaue Art der Mikroelektrode Array beeinflusst; Hier beschreiben wir die Vorgehensweise für ein Array, das vor kurzem die Zulassung für den Einsatz beim Menschen in den USA erhalten. Das so genannte Utah-Array umfasst ein 4 x 4 mm, 100 Mikroelektrode Gitter; eine transkutane Sockel, der mit der externen Tabelle des Schädels verbunden ist; und die beiden verbindet eine Draht-Bundle.
Protocol
Representative Results
Discussion
Das Formaldehyd fixiert menschliche Kadaver-Modell und dem hier beschriebenen chirurgischen Protokoll repliziert den chirurgischen Eingriff der menschlichen zerebralen Neocortex Mikroelektrode Arrays implantiert. Jeden Schritt des Verfahrens, einschließlich der Positionierung des Arrays Mikroelektrode und seine Einführung mit der pneumatischen Inserter gehen in fast der gleichen Weise wie in einem realen Patienten, mit der Ausnahme, dass zerebrale Pulsation und Zirkulation sind nicht vorhanden. Die entscheidenden Schri…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Die Autoren sind dankbar, dass Dr. Rob Franklin (Blackrock Microsystems), Prof. Margitta Seeck (Division of Neurology, Universitätskliniken Genf, Genf, Schweiz), Dr. Andrea Bartoli und Prof. Karl Schaller (Abteilung für Neurochirurgie, Universität Genf Krankenhäuser, Genf, Schweiz), und Herr Florent Burdin und Prof. John P. Donoghue (Wyss Zentrum für Bio- und Neuroengineering, Genf, Schweiz) für ihre Unterstützung bei der Erstellung der vorliegenden Arbeit.
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 |
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