Изготовление композитного регенеративного интерфейса периферических нервов (C-RPNI) во взрослой крысе
Summary
Следующая рукопись описывает новый метод для разработки биологической, замкнутой системы нейронной обратной связи петли называется композитных регенеративных периферийных нервных интерфейс (C-RPNI). Эта конструкция имеет возможность интегрироваться с периферическими нервами, чтобы усилить эфференцировать моторные сигналы, одновременно обеспечивая афферентную сенсорную обратную связь.
Abstract
Последние достижения в нейропротезировании позволили тем, кто живет с потерей конечностей, воспроизвести многие функции, родные отсутствующей конечности, и это часто достигается за счет интеграции с периферической нервной системой. К сожалению, методы, используемые в настоящее время часто связаны со значительным повреждением тканей, что предотвращает длительное использование. Кроме того, эти устройства часто не имеют какой-либо значимой степени сенсорной обратной связи, поскольку их сложная конструкция ослабляет любые вибрации или другие ощущения, от которых пользователь мог ранее зависеть при использовании более простых протезов. Композитный регенеративный интерфейс периферического нерва (C-RPNI) был разработан как стабильная, биологическая конструкция с возможностью усиления эзерентных сигналов нерва двигателя, обеспечивая при этом одновременную афферентную сенсорную обратную связь. C-RPNI состоит из сегмента свободного кожного и мышечного трансплантата, обеспеченного вокруг целевого смешанного сенсорного нерва, с преференциальным реиннервацией моторного нерва мышечного трансплантата и рененервации дермального трансплантата. У крыс эта конструкция продемонстрировала генерацию сложных потенциалов мышечного действия (CMAPs), усиливая сигнал целевого нерва от уровня микро- до милливольта, с соотношением сигнала к шуму в среднем около 30-50. Стимуляция кожного компонента конструкции генерирует сложные сенсорные нервные потенциалы (CSNAPs) на проксимальном нерве. Таким образом, эта конструкция имеет многообещающую будущую полезность для реализации идеального, интуитивно понятного протеза.
Introduction
Конечности ампутации затрагивают почти 1 из 190 американцев1, и их распространенность, по прогнозам, возрастет с 1,6 миллиона сегодня до более чем 3,6 миллиона к 2050году 2. Несмотря на документальное использование на протяжении более тысячелетия, идеальный протез еще предстоит реализовать3. В настоящее время существуют сложные протезы, способные к множественным совместным манипуляциям с потенциалом воспроизвести многие двигательные функции родной конечности4,5. Однако эти устройства не считаются интуитивно понятными, так как желаемое движение протезов обычно функционально отделено от сигнала управления входной связи. Пользователи обычно считают эти “продвинутые протезы” трудно узнать и, следовательно, не подходит для повседневного использования1,6. Кроме того, сложные протезы, которые в настоящее время на рынке, не обеспечивают никакой заметной степени тонкой сенсорной обратной связи для адекватного контроля. Чувство осязания и проприоцепции имеют жизненно важное значение для выполнения ежедневных задач, и без этих, простые акты, такие как собирание чашку кофе становятся обременительными, как она полностью полагается на визуальные сигналы7,8,9. По этим причинам, передовые протезы связаны со значительной степенью умственной усталости и часто описываются как обременительные и неудовлетворительные5,10,11. Для решения этой проблемы, некоторые исследовательские лаборатории разработали протезы, способные обеспечить ограниченную степень сенсорной обратной связи через прямое нервное взаимодействие12,13,14,15, но обратная связь часто ограничивается небольшими, разбросанных областях на руках и пальцах12,13, и ощущения были отмечены болезненным и неестественным в разы15. Многие из этих исследований, к сожалению, отсутствие каких-либо заметных долгосрочных последующих и нервной гистологии, чтобы разграничить местные эффекты ткани, отмечая при этом отказ интерфейса в масштабе недель домесяцев 16.
Для этой популяции, идеальное протезное устройство обеспечит высокую точность управления двигателем наряду с значимой соматосенсорной обратной связи от окружающей среды человека на протяжении всей их жизни. Решающее значение для дизайна указанного идеального протеза является разработка стабильного, надежного интерфейса, который позволил бы одновременно передавать афферентную соматосенсорную информацию с эфферентными моторными сигналами. Наиболее перспективными из современных интерфейсов человека и машины являются те, которые взаимодействуют с периферической нервной системой напрямую, и последние разработки в области нейроинтегрированных протезов работали в направлении преодоления разрыва между биоэлектрическими и механическими сигналами17. Текущие интерфейсы используются включают в себя: гибкие нервные пластины14,15,18, вне-нейронных электродов манжеты13,19,20,21,22,23, ткани проникающие электроды24,25,31,32, и интрафасцилярные электроды26,27 ,28. Тем не менее, каждый из этих методов продемонстрировал ограничения в отношении нерва специфичность, повреждение тканей, аксонал дегенерация, истощение миелина, и / или образование рубцовой ткани, связанные с хроническим проживанием инородного тела ответ16,17,18,19. Совсем недавно, было постулировано, что водитель за возможной неудачи имплантированного электрода является значительное различие в модули Янг между электронным материалом и родной нервной ткани. Мозг ткани подлежит значительному микродвижения на ежедневной основе, и было теоретизировано, что сдвига стресс, вызванный различиями в модули молодых вызывает воспаление и в конечном итоге постоянные рубцы30,31,32. Этот эффект часто усугубляется в конечностях, где периферические нервы подвержены как физиологическому микродвижению, так и преднамеренному макродвижению конечностей. Из-за этого постоянного движения, разумно заключить, что использование полностью абиотических периферических нервных интерфейс не является идеальным, и интерфейс с биологическим компонентом будет более подходящим.
Для удовлетворения этой потребности в биологическом компоненте, наша лаборатория разработала интерфейс биотических нервов под управлением регенеративного периферического нервного интерфейса (RPNI) для интеграции трансected периферических нервов в остаточной конечности с протезным устройством. Изготовление RPNI включает хирургически имплантацию периферического нерва в аутологичным свободный мышечный трансплантат, который впоследствии реваскуляризирует и ренервирует. Наша лаборатория разработала этот биологический нервный интерфейс в течение последнего десятилетия, с успехом в усилении и передаче моторных сигналов в сочетании с имплантированными электродами в обоих животных и человеческих испытаний, что позволяет для подходящего протезного контроля с несколькими степенями свободы2,34. Кроме того, мы отдельно продемонстрировали сенсорную обратную связь с помощью периферических нервов, встроенных в кожные трансплантаты, называется дермальный сенсорный интерфейс (DSI)3,35. В более дистальных ампутации, используя эти конструкции одновременно возможно, как двигатель ные и сенсорные фасциклы в пределах целевого периферического нерва могут быть хирургически разделены. Однако, для более проксимальной ампутации уровня, это не представляется возможным из-за смешения моторных и сенсорных волокон. Композитный регенеративный интерфейс периферических нервов (C-RPNI) был разработан для более проксимальных ампутаций, и он включает в себя имплантацию смешанного сенсорного нерва в конструкцию, состоящую из свободного мышечного трансплантата, закрепленного на сегменте дермального трансплантата(рисунок 1). Периферийные нервы демонстрируют преференциальную целевую реиннервацию, таким образом, сенсорные волокна будут повторно иннервировать дермальный трансплантат и моторные волокна, мышечный трансплантат. Эта конструкция, таким образом, имеет возможность одновременно усиливать моторные сигналы, обеспечивая соматосенсорную обратную связь36 (рисунок 2),что позволяет реализовать идеальный, интуитивный, сложный протез.
Protocol
Representative Results
Discussion
C-RPNI является новой конструкцией, которая обеспечивает одновременное усиление моторных сигналов нерва-мишени с предоставлением афферентной сенсорной обратной связи. В частности, C-RPNI обладает уникальной полезностью для тех, кто живет с проксимальными ампутациями, так как их двигатель?…
Declarações
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Авторы хотели бы поблагодарить Яну Мун за квалифицированную техническую помощь. Исследования, представленные в настоящем документе, финансировались за счет гранта R21NS104584, предоставляемого СК.
Materials
| #15 Scalpel | Aspen Surgical, Inc | Ref 371115 | Rib-Back Carbon Steel Surgical Blades (#15) |
| 4-0 Chromic Suture | Ethicon | SKU# 1654G | P-3 Reverse Cutting Needle |
| 5-0 Chromic Suture | Ethicon | SKU# 687G | P-3 Reverse Cutting Needle |
| 6-0 Ethilon Suture | Ethicon | SKU# 697G | P-1 Reverse Cutting Needle (Nylon suture) |
| 8-0 Monofilament Suture | AROSurgical | T06A08N14-13 | Black polyamide monofilament suture on a threaded tapered needle |
| Experimental Rats | Envigo | F344-NH-sd | Rats are Fischer F344 Strain |
| Fluriso (Isofluorane) | VetOne | 13985-528-40 | Inhalational Anesthetic |
| Micro Motor High Speed Drill with Stone | Master Mechanic | Model 151369 | Handheld rotary tool; kit comes with multiple fine grit stones |
| Oxygen | Cryogenic Gases | UN1072 | Standard medical grade oxygen canisters |
| Potassium Chloride | APP Pharmaceuticals | 63323-965-20 | Injectable form, 2 mEq/mL |
| Povidone Iodine USP | MediChoice | 65517-0009-1 | 10% Topical Solution, can use one bottle for multiple surgical preps |
| Puralube Vet Opthalmic Ointment | Dechra | 17033-211-38 | Corneal protective ointment for use during procedure |
| Rimadyl (Caprofen) | Zoetis, Inc. | NADA# 141-199 | Injectable form, 50 mg/mL |
| Stereo Microscope | Leica | Model M60 | User can adjust magnification to their preference |
| Surgical Instruments | Fine Science Tools | Various | User can choose instruments according to personal preference or from what is currently available in their lab |
| Triple Antibiotic Ointment | MediChoice | 39892-0830-2 | Ointment comes in sterile, disposable packets |
| VaporStick 3 | Surgivet | V7015 | Anesthesia tower with space for isofluorane and oxygen canister |
| Webcol Alcohol Prep | Coviden | Ref 6818 | Alcohol prep wipes; use a new wipe for each prep |
Referências
- Biddiss, E. A., Chau, T. T. Upper limb prosthesis use and abandonment: A survey of the last 25 years. Prosthetics and Orthotics International. 31 (3), 236-257 (2007).
- Kung, T. A., et al. Regenerative peripheralnerve interface viability and signal transduction with an implanted electrode. Plastic and Reconstructive Surgery. 133 (6), 1380-1394 (2014).
- Larson, J. V., et al. Prototype Sensory Regenerative Peripheral Nerve Interface for Artificial Limb Somatosensory Feedback. Plastic and Reconstructive Surgery. 133 (3 Suppl), 26-27 (2014).
- Hijjawi, J. B., et al. Improved myoelectric prosthesis control accomplished using multiple nerve transfers. Plastic and Reconstructive Surgery. 118 (7), 1573-1578 (2006).
- Pylatiuk, C., Schulz, S., Döderlein, L. Results of an Internet survey of myoelectric prosthetic hand users. Prosthetics and Orthotics International. 31 (4), 362-370 (2007).
- Baghmanli, Z., et al. Biological and electrophysiologic effects of poly(3,4-ethylenedioxythiophene) on regenerating peripheral nerve fibers. Plastic and Reconstructive Surgery. 132 (2), 374-385 (2013).
- Dhillon, G. S., Horch, K. W. Direct neural sensory feedback and control of a prosthetic arm. IEEE Transactions on Neural Systems and Rehabilitation Engineering. 13 (4), 468-472 (2005).
- Romo, R., Hernández, A., Zainos, A., Salinos, E. Somatosensory discrimination based on cortical microstimulation. Nature. 392, 387-390 (1998).
- O’Doherty, J., et al. Active tactile exploration using a brain-machine-brain interface. Nature. 479, 228-231 (2011).
- Stein, R. B., Walley, M. Functional comparison of upper extremity amputees using myoelectric and conventional prostheses. Archives of Physical Medicine and Rehabilitation. 64 (6), 243-248 (1983).
- Millstein, S. G., Heger, H., Hunter, G. A. Prosthetic Use in Adult Upper Limb Amputees: A Comparison of the Body Powered and Electrically Powered Prostheses. Prosthetics and Orthotics International. 10 (1), 27-34 (1986).
- Zollo, L., et al. Restoring tactile sensations via neural interfaces for real-time force-and-slippage closed-loop control of bionic hands. Science Robotics. 4 (27), eaau9924 (2019).
- Tan, D. W., et al. A neural interface provides long-term stable natural touch perception. Science Translational Medicine. 6 (257), 257ra138 (2014).
- Stieglitz, T., et al. On Biocompatibility and Stability of Transversal Intrafascicular Multichannel Electrodes-TIME. Converging Clinical and Engineering Research on Neurorehabilitation II. 15, 731-735 (2017).
- Petrini, F. M., et al. Six-months assessment of a hand prosthesis with intraneural tactile feedback. Annals of Neurology. 85 (1), 137-154 (2019).
- Jung, R., Abbas, J., Kuntaegowdanahalli, S., Thota, A. Bionic intrafascicular interfaces for recording and stimulating peripheral nerve fibers. Bioelectronics in Medicine. 1 (1), 55-69 (2018).
- Micera, S., Navarro, X., Yoshida, K. Interfacing With the Peripheral Nervous System to Develop Innovative Neuroprostheses. IEEE Transactions on Neural Systems and Rehabilitation Engineering. 17 (5), 417-419 (2009).
- Stieglitz, T., Schuettler, M., Schneider, A., Valderrama, E., Navarro, X. Noninvasive measurement of torque development in the rat foot: measurement setup and results from stimulation of the sciatic nerve with polyimide-based cuff electrodes. IEEE Transactions on Neural Systems and Rehabilitation Engineering. 11 (4), 427-437 (2003).
- Polasek, K. H., Hoyen, H. A., Keith, M. W., Tyler, D. J. Human nerve stimulation thresholds and selectivity using a multi-contact nerve cuff electrode. IEEE Transactions on Neural Systems and Rehabilitation Engineering. 15 (1), 76-82 (2007).
- Nielson, K. D., Watts, C., Clark, W. K. Peripheral nerve injury from implantation of chronic stimulating electrodes for pain control. Surgical Neurology. 5 (1), 51-53 (1976).
- Waters, R. L., McNeal, D. R., Faloon, W., Clifford, B. Functional electrical stimulation of the peroneal nerve for hemiplegia. Long-term clinical follow-up. Journal of Bone and Joint Surgery. 67 (5), 792-793 (1985).
- Larsen, J. O., Thomsen, M., Haugland, M., Sinkjaer, T. Degeneration and regeneration in rabbit peripheral nerve with long-term nerve cuff electrode implant: a stereological study of myelinated and unmyelinated axons. Acta Neuropathologica. 96 (4), 365-378 (1998).
- Krarup, C., Loeb, G. E., Pezeshkpour, G. H. Conduction studies in peripheral cat nerve using implanted electrodes: III. The effects of prolonged constriction on the distal nerve segment. Muscle Nerve. 12 (11), 915-928 (1989).
- Micera, S., Navarro, X. Bidirectional interfaces with the peripheral nervous system. International Review of Neurobiology. 86, 23-38 (2009).
- Urbanchek, M. G., et al. Microscale Electrode Implantation during Nerve Repair: Effects on Nerve Morphology, Electromyography, and Recovery of Muscle Contractile Function. Plastic and Reconstructive Surgery. 128 (4), 270e-278e (2011).
- Yoshida, K., Horch, K. Selective stimulation of peripheral nerve fibers using dual intrafascicular electrodes. IEEE Transactions on Biomedical Engineering. 40 (5), 492-494 (1993).
- Branner, A., Stein, R. B., Normann, R. A. Selective stimulation of cat sciatic nerve using an array of varying length microelectrodes. Journal of Neurophysiology. 85 (4), 1585-1594 (2001).
- Zheng, X. J., Zhang, J., Chen, T., Chen, Z. Longitudinally implanted intrascicular electrodes for stimulating and recording fascicular physioelectrical signals in the sciatic nerve of rabbits. Microsurgery. 23, 268-273 (2003).
- del Valle, J., Navarro, X. Interfaces with the peripheral nerve for the control of neuroprostheses. International Review of Neurobiology. 109, 63-83 (2013).
- Stiller, A. M., et al. A Meta-Analysis of Intracortical Device Stiffness and Its Correlation with Histological Outcomes. Micromachines. 9 (9), 443 (2018).
- Hanson, T., Diaz-Botia, C., Kharazia, V., Maharbiz, M., Sabes, P. The “sewing machine” for minimally invasive neural recording. bioRxiv. , (2019).
- Yang, X., et al. Bioinspired neuron-like electronics. Nature Materials. 18, 510-517 (2019).
- Irwin, Z. T., et al. Chronic recording of hand prosthesis control signals via a regenerative peripheral nerve interface in a rhesus macaque. Journal of Neural Engineering. 13 (4), 046007 (2016).
- Kubiak, C. A., et al. Abstract 24: Successful Control of Virtual and Robotic Hands using Neuroprosthetic Signals from Regenerative Peripheral Nerve Interfaces in a Human Subject. Plastic and Reconstructive Surgery Global Open. 6 (4), 19-20 (2018).
- Sando, I. C., et al. Dermal-Based Peripheral Nerve Interface for Transduction of Sensory Feedback. Plastic and Reconstructive Surgery. 136 (4 Suppl), 19-20 (2015).
- Kubiak, C. A., et al. Abstract 36: Viability and Signal Transduction with the Composite Regenerative Peripheral Nerve Interface (C-RPNI). Plastic and Reconstructive Surgery Global Open. 7 (4), 26-27 (2019).
- Kubiak, C. A., et al. Abstract QS18: Neural Signal Transduction with the Muscle Cuff Regenerative Peripheral Nerve Interface. Plastic and Reconstructive Surgery Global Open. 7 (4 Suppl), 114 (2019).
- Woo, S. L., et al. Utilizing nonvascularized partial skeletal muscle grafts in peripheral nerve interfaces for prosthetic control. Journal of the American College of Surgeons. 219 (4), e136-e137 (2014).
- Sporel-Özakat, R. E., Edwards, P. M., Hepgul, K. T., Savas, A., Gispen, W. H. A simple method for reducing autotomy in rats after peripheral nerve lesions. Journal of Neuroscience Methods. 36 (2-3), 263-265 (1991).
- Carr, M. M., Best, T. J., Mackinnon, S. E., Evans, P. J. Strain differences in autotomy in rats undergoing sciatic nerve transection or repair. Annals of Plastic Surgery. 28 (6), 538-544 (1992).
