Training chirurgico per l'impianto di microelettrodi Neocortical utilizzando un modello di cadavere umano formaldeide-fisso
Summary
Abbiamo progettato una procedura in cui viene utilizzato un cadavere umano formaldeide-fisso per assistere i neurochirurghi in formazione per l’impianto di microelettrodi nella neocorteccia del cervello umano.
Abstract
Questo protocollo descrive una procedura per aiutare i chirurghi in formazione per l’impianto di microelettrodi nella neocorteccia del cervello umano. Recente progresso tecnologico ha permesso la realizzazione di matrici di microelettrodi che consentono di registrare l’attività di singoli neuroni multipli nella neocorteccia del cervello umano. Queste matrici hanno il potenziale per portare una visione unica sui correlati neuronali della funzione cerebrale nella salute e nella malattia. Inoltre, l’identificazione e decodifica dell’attività neuronale volitiva apre la possibilità di stabilire le interfacce cervello-computer e così potrebbe contribuire a ripristinare perso le funzioni neurologiche. L’impianto di microelettrodi neocortical è una procedura invasiva che richiede un craniotomy supra centimetrico e l’esposizione della superficie corticale; così, la procedura deve essere eseguita da un neurochirurgo adeguatamente addestrato. Al fine di fornire un’occasione di formazione chirurgica, abbiamo progettato una procedura basata su un modello di cadavere. L’uso di un cadavere umano formaldeide-fisso consente di ignorare le difficoltà pratiche, etiche e finanziari di pratica chirurgica su animali (soprattutto non umano primati), preservando la struttura macroscopica della testa, cranio, meningi e cerebrale superficie e permettendo realistico, sala operatoria-come posizionamento e strumentazione. Inoltre, l’uso di un cadavere umano è più vicino alla pratica clinica quotidiana di qualsiasi modello di non-umani. Gli svantaggi principali della simulazione cadaverico sono l’assenza di pulsazione cerebrale e della circolazione di sangue e liquido cerebrospinale. Suggeriamo che un modello di formaldeide-fisso cadavere umano sia un approccio adeguato, pratico e conveniente per garantire un’adeguata formazione chirurgica prima di impiantare microelettrodi nella neocorteccia umana vivente.
Introduction
Anni recenti hanno visto lo sviluppo di soluzioni tecnologiche per la sfida di registrare l’attività di più singoli neuroni in vivo del cervello1,2,3. Microelettrodi a base di silicio eseguire allo stesso modo di microelettrodi legare convenzionale in termini di caratteristiche del segnale, e possono registrare da decine a centinaia di neuroni in una piccola zona di tessuto cerebrale4,5, 6 , 7. microelettrodi hanno permesso agli scienziati di stabilire la corrispondenza tra attività neurale nella corteccia motoria primaria di scimmie e braccio movimenti8, che a sua volta ha fornito una spinta per lo sviluppo del cervello-computer interfacce (BCIs)9.
Microelettrodi sono stati utilizzati in esseri umani in due situazioni: come cronici impianti a controllo BCIs e come gli impianti semi-cronici di studiare l’attività di singoli neuroni in pazienti affetti da epilessia. Gli impianti cronici, targeting per la rappresentazione funzionale della mano nella corteccia motoria primaria, hanno permesso a pazienti affetti da tetraplegia per controllare il movimento di un braccio robotico o computer cursori10,11,,12 ,13. Impianti semi-cronici, inseriti insieme con elettrodi subdurali electrocorticography (ECOG) in pazienti con epilessia resistente alla droga che sono candidati per la chirurgia di epilessia14, consentono registrazioni unitario prima, durante e dopo i grippaggi, e hanno cominciato a far luce sull’attività di singoli neuroni durante e tra i grippaggi epilettici15,16,17,18,19. Microelettrodi hanno il potenziale per migliorare significativamente la nostra comprensione di come il cervello funziona stabilendo un collegamento tra l’attività dei neuroni, da un lato e le percezioni, movimenti e pensieri degli esseri umani, sia nella salute e nella malattia, gli altri20,21.
Microelettrodi a base di silicio sono ora disponibili in commercio e loro uso in esseri umani è stato approvato dalle autorità di regolamentazione negli Stati Uniti nell’indicazione semicronica Epilessia. Tuttavia, questi dispositivi sono invasivi e devono essere inseriti nel cervello. Le conseguenze negative della tecnica di inserimento improprio, di là del guasto del dispositivo per registrare l’attività neuronale, includono emorragia cerebrale e l’infezione, con il potenziale per disfunzione neurologica permanente o di lunga durata. Anche se il tasso di complicazione dell’impianto array microelettrodo è attualmente sconosciuto, il tasso di complicanze potenzialmente gravi durante l’impianto di macroelectrodes intracranica elettroencefalografia (EEG) è 1-5%22, 23. Pertanto, l’impianto corretto di microelettrodi richiede ampie competenze neurochirurgiche e procedura-specifica formazione.
Gli approcci disponibili per i chirurghi affinare le loro abilità con microelettrodi in un ambiente sicuro comprendono mammiferi non umani e cadaveri umani. Il modello formativo ideale sarebbe riprodurre fedelmente la dimensione e lo spessore del cranio umano; la durezza e la ramificazione vascolare del dura; il modello gyrification, la coerenza e la pulsazione del cervello umano; la presenza di circolazione di sangue e liquido cerebrospinale; e il posizionamento complessivo del soggetto in una sala operatoria (OR)-come l’ambiente. Così, modelli animali devono essere di dimensioni sufficienti per fornire un’esperienza significativa per i chirurghi. Avvicinano grandi primati non umani, ma il loro uso per addestramento chirurgico è insostenibile sia dal punto di vista etico e perché essi sono costosi. Roditori non entrare in considerazione a causa delle loro piccole dimensioni; utilizzando anche gatti o conigli implica significativamente divergenti da un ambiente simile a OR.
Cadaveri umani rappresentano un’alternativa attraente. I loro vantaggi includono la vita-come dimensione e la forma della testa e del cervello e la possibilità di istituire training chirurgico in un ambiente simile a OR. Le partenze più evidente da una situazione realistica sono l’assenza di pulsazioni cerebrale e sanguinamento e le modifiche nell’aspetto e la consistenza dei tessuti del corpo che sono specifici per la tecnica impiegata per cadavere conservazione24. Fresco congelato cadaveri preservare la coerenza e la flessibilità di molti organi e tessuti in una certa misura, ma presentano numerosi svantaggi: iniziano a degradare, non appena lo scongelamento inizia, in modo che il cervello diventa troppo degradato per l’inserimento di un microelettrodo matrice da eseguirsi realisticamente e sono una risorsa relativamente rara e costosa. Formaldeide-fisso cadaveri, d’altra parte, sono più accessibili e disponibili e molto più durevole, a scapito della coerenza di tessuto indurito.
Qui, stabiliamo una procedura utilizzando un modello di formaldeide-fisso cadavere umano per fornire formazione neurochirurgico per l’impianto di una matrice di microelettrodi neocortical. Il nostro approccio permette realistico, OR-come posizionamento e strumentazione; esecuzione di durotomy e del craniotomy ed esponendo la superficie neocortical; associare il piedistallo di elettrodo all’osso del cranio vicini il craniotomy; e inserendo la matrice di microelettrodi nella neocorteccia con un pneumatico impactor25. Criticamente, consente ai chirurghi di praticare il preciso allineamento della matrice di microelettrodi (che è collegato con il piedistallo di elettrodo tramite un fascio di fili d’oro singolarmente isolati) parallela alla superficie neocortical26. Il nostro protocollo riproduce fedelmente l’indicazione dell’impianto di matrice di microelettrodi insieme con l’impianto di ECOG in pazienti che sono candidati per la chirurgia di epilessia. Le indicazioni della chirurgia dell’impianto sono influenzate significativamente dal tipo esatto di matrice di microelettrodi; qui, descriviamo la procedura per una matrice che ha recentemente ricevuto l’approvazione di regolamentazione per l’uso in esseri umani negli Stati Uniti. La cosiddetta matrice di Utah comprende un 4 x 4 mm, griglia 100 microelettrodo; un piedistallo transcutaneo che è collegato alla tabella esterna del cranio; e un fascio di cavo collega i due.
Protocol
Representative Results
Discussion
Il modello di formaldeide-fisso cadavere umano e il protocollo chirurgico descritto qui replicare la procedura chirurgica di impianto microelettrodi nella neocorteccia cerebrale umana. Ogni passo della procedura, compreso il posizionamento della matrice microelettrodo e suo inserimento con l’Inseritore pneumatico, procedere quasi allo stesso modo come in un paziente di vita reale, con l’eccezione che pulsazione cerebrale e circolazione sono assenti. I passaggi critici nel protocollo sono l’allineamento della matrice micr…
Declarações
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Gli autori sono grati al Dr. Rob Franklin (Blackrock Microsystems), Prof. ssa Margitta Seeck (divisione di neurologia, ospedali universitari di Ginevra, Ginevra, Svizzera), Dr. Andrea Bartoli e Prof. ssa Karl Schaller (divisione di neurochirurgia, Università di Ginevra Ospedali, Ginevra, Svizzera) e il signor Florent Burdin e Prof John P. Donoghue (Wyss centro per Bio e Neuroingegneria, Ginevra, Svizzera) per il loro supporto nella preparazione del presente lavoro.
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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