Chirurgische opleiding voor de inplanting van Neocortical micro-elektrode Arrays gebruikmakend van een menselijk kadaver Formaldehyde-fixed-Model
Summary
We ontwierpen een procedure waarin een formaldehyde-vaste menselijke cadaver wordt gebruikt bij neurochirurgen in opleiding voor de inplanting van micro-elektrode arrays in de neocortex van het menselijk brein.
Abstract
Dit protocol beschrijft een procedure om het helpen van chirurgen in opleiding voor de inplanting van micro-elektrode arrays in de neocortex van het menselijk brein. Recente technologische vooruitgang heeft de fabricage van micro-elektrode arrays waarmee de opname van de activiteit van meerdere individuele neuronen in de neocortex van het menselijk brein. Deze arrays hebben het potentieel om uniek inzicht op de neuronale correlaten van cerebrale functie bij gezondheid en ziekte. Bovendien, de identificatie en decodering van bewuste Neuronale activiteit opent de mogelijkheid om vast te stellen van de hersenen-computer interfaces, en dus kunnen helpen herstellen van verloren neurologische functies. De implantatie van neocortical micro-elektrode arrays is een invasieve procedure vereisen een supra-centimetric craniotomy en de blootstelling van de corticale oppervlak; Dus, de procedure moet worden uitgevoerd door een adequaat geschoolde neurochirurg. Om de gelegenheid voor chirurgische opleiding bieden, ontwierpen we een procedure gebaseerd op het model van een menselijk kadaver. Het gebruik van een formaldehyde-vaste menselijke cadaver mijdt de praktische, ethische en financiële problemen van chirurgische praktijk op dieren (vooral niet-menselijke primaten) met behoud van de macroscopische structuur van het hoofd, de schedel, de hersenvliezen en cerebrale oppervlak en waardoor realistische, operatiekamer-achtige positionering en instrumentatie. Bovendien is het gebruik van een menselijk kadaver dichter bij klinische praktijk dan ieder niet-menselijke model. De grote nadelen van de dode foetussen simulatie zijn het ontbreken van cerebrale pulsatie en bloeds-en cerebrospinaal vocht. Wij stellen voor dat een menselijk kadaver formaldehyde-fixed-model een adequate, praktische en rendabele aanpak om ervoor te zorgen de juiste chirurgische opleiding is vóór het implanteren van micro-elektrode matrices in de levende menselijke neocortex.
Introduction
Afgelopen jaren is de ontwikkeling van technologische oplossingen op de uitdaging van de opname van de activiteit van meerdere individuele neuronen in de woonkamer brain1,2,3. Silicium gebaseerde micro-elektrode matrices uitvoeren op dezelfde manier naar conventionele draad microelectrodes in termen van eigenschappen van het signaal, en ze kunnen opnemen van tientallen tot honderden neuronen in een kleine patch van cerebrale weefsel4,5, 6 , 7. micro-elektrode matrices hebben wetenschappers om de correspondentie tussen neurale activiteit in de primaire motorische cortex van apen en arm bewegingen8, die op zijn beurt heeft een impuls aan de ontwikkeling van de hersenen-computer toegestaan interfaces (BCIs)9.
Micro-elektrode matrices zijn gebruikt bij de mens in twee situaties: als chronische implantaten te controleren BCIs en semi-chronische implantaten te bestuderen van de activiteiten van individuele neuronen in patiënten die lijden aan epilepsie. Chronische implantaten, gericht op de functionele vertegenwoordiging van de hand in de primaire motorische cortex, hadden de patiënten die lijden aan tetraplegie om controle van de beweging van een robotachtig wapen of computer cursors10,11,12 ,,13. Semi-chronische implantaten, ingevoegd samen met subduraal electrocorticography (ECOG) elektroden bij patiënten met resistente epilepsie die kandidaat zijn voor epilepsie chirurgie14, toestaan één-eenheid opnames vóór, tijdens en na de vangsten, en zijn begonnen om licht te werpen op de activiteit van één neuronen tijdens en tussen de epileptische aanvallen15,16,17,18,19. Micro-elektrode matrices hebben het potentieel om ons begrip van de werking van de hersenen door de oprichting van een verband tussen de activiteit van neuronen, enerzijds, en de percepties, de bewegingen en de gedachten van de mens, zowel in gezondheid aanzienlijk te verbeteren ziekte, op de andere20,–21.
Silicium gebaseerde micro-elektrode arrays zijn nu commercieel beschikbaar en hun gebruik bij de mens is goedgekeurd door de regelgevende instanties in de VS in de semi-chronische epilepsie-indicatie. Echter, deze apparaten zijn invasief en moeten worden ingevoegd in de hersenen. De negatieve gevolgen van ongepaste invoeging techniek, na het mislukken van het apparaat naar record Neuronale activiteit, omvatten hersenbloeding en besmetting, met de mogelijkheden voor langdurige of permanente neurologische dysfunctie. Hoewel het tempo van complicatie van de micro-elektrode matrix implantatie momenteel onbekend is, is het aantal potentieel ernstige complicaties tijdens de inplanting van intracraniële elektro-encefalografie (EEG) macroelectrodes 1-5%22, 23. de juiste inplanting van micro-elektrode arrays vereist daarom zowel de uitgebreide neurochirurgische vaardigheden en de procedure-specifieke opleidingen.
De benaderingen beschikbaar voor chirurgen te slijpen hun vaardigheden met micro-elektrode arrays in een veilige omgeving zijn niet-menselijke zoogdieren en menselijke kadavers. De ideale training model zou getrouwe afspiegeling van de grootte en de dikte van de menselijke schedel; de taaiheid en vasculaire restanten van de dura; het gyrification patroon, de consistentie en de pulsatie van het menselijk brein; de aanwezigheid van het circulerende bloed en hersenvocht; en de globale positionering van het onderwerp in een operatiekamer (OR)-als milieu. Aldus, moeten dierlijke modellen een groot genoeg om een betekenisvolle ervaring aan de chirurgen. Grote niet-menselijke primaten komen dichtst, maar het gebruik ervan voor chirurgische opleiding is onhoudbaar zowel vanuit een ethisch perspectief en omdat ze duur zijn. Knaagdieren Voer niet aanmerking vanwege het kleine formaat; met behulp van zelfs katten of konijnen impliceert aanzienlijk afwijken van een OR-achtige omgeving.
Menselijke kadavers vertegenwoordigen een aantrekkelijk alternatief. Hun voordelen omvatten de levensechte grootte en vorm van het hoofd en de hersenen en de mogelijkheid van het instellen van chirurgische opleiding in een OR-achtige omgeving. De meest voor de hand liggende afwijkingen van een realistische situatie zijn het ontbreken van cerebrale pulsaties en bloeden en de wijzigingen in het aspect en de consistentie van de weefsels van het lichaam die specifiek voor de techniek werkzaam voor cadaver behoud24 zijn. Versbevroren kadavers behouden de samenhang en de flexibiliteit van vele organen en weefsels tot op zekere hoogte, maar ze hebben verschillende nadelen: ze beginnen zodra ontdooien vernederende begint, zodat de hersenen wordt ook gedegradeerd voor het inbrengen van een micro-elektrode matrix realistisch worden uitgevoerd, en ze zijn een bron van relatief zeldzaam en duur. Formaldehyde-vaste kadavers, aan de andere kant, zijn meer betaalbaar en beschikbaar en veel duurzamer, ten koste van gehard weefsel consistentie.
Hier stellen wij een procedure met behulp van een menselijk kadaver formaldehyde-vaste model voor een neurochirurgische scholing van de implantatie van een neocortical micro-elektrode-array. Onze aanpak maakt het mogelijk realistische, OR-achtige positionering en instrumentatie; uitvoeren van craniotomy en durotomy en het ontmaskeren van het neocortical oppervlak; de elektrode sokkel verbonden tot op het bot van de schedel naburige van de craniotomy; en de micro-elektrode array invoegen in de neocortex met een pneumatische botslichaam25. Kritisch, hierdoor chirurgen om de praktijk van de nauwkeurige uitlijning van de micro-elektrode-matrix (die is aangesloten op het voetstuk van de elektrode door een bundel van individueel geïsoleerde gouden draden) parallel aan de neocortical oppervlakte26. Ons protocol repliceert getrouw de vermelding van micro-elektrode matrix implantatie samen met ECOG implantatie bij patiënten die kandidaat zijn voor epilepsie chirurgie. De bijzonderheden van de implantatie operatie worden aanzienlijk beïnvloed door het exacte type micro-elektrode array; Hier beschrijven we de procedure voor een matrix die onlangs wettelijke goedkeuring voor gebruik bij de mens in de Verenigde Staten ontvangen. De zogenaamde Utah matrix bestaat uit een 4 x 4 mm, 100 micro-elektrode grid; een transkutane voetstuk dat is gekoppeld aan de externe tabel van de schedel; en een bundel draad aansluiten van de twee.
Protocol
Representative Results
Discussion
De formaldehyde-vaste menselijke cadaver-model en de chirurgische protocol beschreven hier repliceren de chirurgische procedure voor het implanteren van micro-elektrode matrices in de menselijke cerebrale neocortex. Elke stap van de procedure, met inbegrip van de positionering van de micro-elektrode-array en de invoegpositie met de pneumatische inserter, ga op bijna dezelfde manier als in een levensechte patiënt, met de uitzondering dat cerebrale pulsatie en omloop afwezig zijn. De kritische stappen in het protocol zijn…
Declarações
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
De auteurs zijn dankbaar Dr. Rob Franklin (Blackrock Microsystems), Seeck (divisie van Neurologie, Genève universitaire ziekenhuizen, Genève, Zwitserland), Margitta Prof. Dr. Andrea Bartoli en Prof. Karl Schaller (divisie van Neurochirurgie, Universiteit van Genève Ziekenhuizen, Genève, Zwitserland), en de heer Florent Burdin en Prof. John P. Donoghue (Wyss centrum voor Bio- en Neuroengineering, Genève, Zwitserland) voor hun steun bij de voorbereiding van het huidige werk.
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 |
Referências
- 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).
- Jones, K. E., Campbell, P. K., Normann, R. A. A glass/silicon composite intracortical electrode array. Ann. Biomed. Eng. 20 (4), 423-427 (1992).
- 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).
- Csicsvari, J., et al. Massively parallel recording of unit and local field potentials with silicon-based electrodes. J. Neurophysiol. 90 (2), 1314-1314 (2003).
- 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).
- 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).
- 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).
- Maynard, E. M., et al. Neuronal interactions improve cortical population coding of movement direction. J. Neurosci. 19 (18), 8083-8093 (1999).
- 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).
- Hochberg, L. R., et al. Neuronal ensemble control of prosthetic devices by a human with tetraplegia. Nature. 442 (7099), 164-171 (2006).
- Hochberg, L. R., et al. Reach and grasp by people with tetraplegia using a neurally controlled robotic arm. Nature. 485 (7398), 372 (2012).
- 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).
- 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).
- Seeck, M., Schomer, D. L., Niedermeyer, E. Intracranial Monitoring: Depth, Subdural, and Foramen Ovale Electrodes. Niedermeyer’s Electroencephalogr. , 677-714 (2011).
- Truccolo, W., et al. Single-neuron dynamics in human focal epilepsy. Nat. Neurosci. 14 (5), 635-641 (2011).
- Truccolo, W., et al. Neuronal ensemble synchrony during human focal seizures. J. Neurosci. 34 (30), 9927 (2014).
- Keller, C. J., et al. Heterogeneous neuronal firing patterns during interictal epileptiform discharges in the human cortex. Brain. 133 (Pt 6), 1668-1681 (2010).
- Schevon, C. A., et al. Evidence of an inhibitory restraint of seizure activity in humans. Nat. Commun. 3, 1060 (2012).
- Weiss, S. A., et al. Ictal high frequency oscillations distinguish two types of seizure territories in humans. Brain. 136 (Pt 12), 3796-3808 (2013).
- Cash, S. S., Hochberg, L. R. The Emergence of Single Neurons in Clinical Neurology. Neuron. 86 (1), 79-91 (2015).
- Donoghue, J. P. Bridging the brain to the world: a perspective on neural interface systems. Neuron. 60 (3), 511-521 (2008).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- Cash, S. S., et al. The human K-complex represents an isolated cortical down-state. Science. 324 (5930), 1084-1087 (2009).
- Olabe, J., Olabe, J., Sancho, V. Human cadaver brain infusion model for neurosurgical training. Surg. Neurol. 72 (6), 700-702 (2009).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- Krishnamurthy, S., Powers, S. K. The use of fabric softener in neurosurgical prosections. Neurosurgery. 36 (2), 420-3-4at (1995).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
