التدريب الجراحي لغرس صفائف ميكروليكترودي نيوكورتيكال باستخدام نموذج ثابت فورمالدهايد الجثث البشرية
Summary
لقد قمنا بتصميم إجراء الذي يستخدم الجثث بشرية فورمالدهايد ثابتة لمساعدة الجراحين في التدريب لغرس ميكروليكترودي صفائف في اللحاء الجديد الدماغ البشري.
Abstract
ويصف هذا البروتوكول إجراء لمساعدة الجراحين في التدريب لغرس ميكروليكترودي صفائف في اللحاء الجديد الدماغ البشري. ومكن التقدم التكنولوجي الأخيرة تلفيق صفائف ميكروليكترودي التي تسمح لتسجيل نشاط الخلايا العصبية الفردية متعددة في اللحاء الجديد الدماغ البشري. هذه المصفوفات لديها القدرة على تحقيق رؤية فريدة من نوعها على يرتبط الخلايا العصبية الدماغية وظيفة في الصحة والمرض. وعلاوة على ذلك، تحديد وفك مداركه نشاط الخلايا العصبية يفتح إمكانية إنشاء واجهات الكمبيوتر الدماغ، ومما قد يساعد على استعادة الوظائف العصبية المفقودة. غرس صفائف ميكروليكترودي نيوكورتيكال إجراء جائر يتطلب اوديما سينتيميتريك أعلاه والتعرض للسطح القشرية؛ وهكذا، يجب تنفيذ الإجراء قبل الأعصاب المدربين تدريبا كافياً. وبغية توفير فرصة للتدريب الجراحي، قمنا بتصميم إجراء يستند إلى نموذج الجثث بشرية. استخدام الجثث البشرية الثابتة فورمالدهايد يتجاوز الصعوبات العملية والأخلاقية والمالية لممارسة العمليات الجراحية على الحيوانات (غير البشرية لا سيما الرئيسات) مع الحفاظ على هيكل العيانية الرأس، الجمجمة، والسحايا والمخ السطح والسماح بواقعية، مثل غرفة العمليات لتحديد المواقع وأجهزة القياس. وعلاوة على ذلك، استخدام الجثث البشرية أقرب إلى الممارسة السريرية اليومية من أي نموذج غير البشرية. العوائق الرئيسية لمحاكاة المأخوذة هي عدم وجود نبض المخ والدورة الدموية والسائل الدماغي النخاعي. ونقترح أن نموذج ثابت فورمالدهايد الجثث بشرية نهج ملائمة وعملية وفعالة من حيث التكلفة لضمان التدريب الجراحي السليم قبل غرس صفائف ميكروليكترودي في اللحاء الجديد المعيشة البشرية.
Introduction
وقد شهدت السنوات الأخيرة تطوير الحلول التكنولوجية للتحدي من تسجيل نشاط الخلايا العصبية الفردية متعددة في المعيشة الدماغ1،،من23. صفائف المستندة إلى السليكون ميكروليكترودي تؤدي كذلك إلى ميكروليكتروديس الأسلاك التقليدية من حيث خصائص الإشارة، وأنها يمكن أن تسجل من عشرات إلى مئات من الخلايا العصبية في قطعة صغيرة من أنسجة المخ4،5، 6 , 7-يسمح صفائف ميكروليكترودي العلماء إثبات التطابق بين النشاط العصبي في القشرة الحركية الأولية من القرود والذراع حركات8، الذي قدم بدوره دفعة قوية لتنمية الدماغ-الكمبيوتر 9من الواجهات (التطبيق).
تم استخدام صفائف ميكروليكترودي في البشر في حالتين: يزرع المزمن لمراقبة التطبيق ويزرع شبه المزمن لدراسة نشاط الخلايا العصبية الفردية في المرضى الذين يعانون من الصرع. يزرع المزمنة، تستهدف تمثيل الوظيفية من الجهة في القشرة الحركية الأولية، قد يسمح للمرضى الذين يعانون من شلل للتحكم في الحركة الذراع الروبوتية أو الكمبيوتر المؤشرات10،11،12 ،13. يزرع شبه مزمنة، إدراج جنبا إلى جنب مع أقطاب اليكتروكورتيكوجرافي له (ECOG) في المرضى الذين يعانون من الصرع المقاوم الذين هم المرشحين ل جراحة الصرع14، تسمح تسجيلات وحدة واحدة قبل وأثناء وبعد المضبوطات، وقد بدأت لإلقاء الضوء على نشاط واحد من الخلايا العصبية أثناء وبين نوبات الصرع15،،من1617،،من1819. صفائف ميكروليكترودي تنطوي على إمكانات لتحسين فهمنا لكيفية وظائف الدماغ بإنشاء ارتباط بين نشاط الخلايا العصبية، من ناحية، والتصورات، وحركات وأفكار البشر، سواء في الصحة أو في شكل كبير المرض، في ال20،21.
صفائف المستندة إلى السليكون ميكروليكترودي أصبحت الآن متاحة تجارياً، واستعمالها في البشر قد أقرها السلطات التنظيمية في الولايات المتحدة في بيان الصرع شبه مزمنة. ومع ذلك، هذه الأجهزة هي الغازية ويجب إدراجها في الدماغ. وتشمل الآثار السلبية لتقنية الإدراج غير لائق، وبعد فشل الجهاز لتسجيل نشاط الخلايا العصبية، نزيف في المخ، والإصابة، مع احتمال خلل العصبية طويلة الأمد أو دائمة. على الرغم من أن معدل مضاعفات زرع ميكروليكترودي صفيف غير معروف حاليا، أن معدل المضاعفات الخطيرة المحتملة أثناء غرس ماكروليكتروديس داخل الجمجمة المخ (EEG) هو 1-5%22، 23-ولذلك، غرس صفائف ميكروليكترودي السليم يتطلب مهارات الجراحة العصبية واسعة النطاق والتدريب الخاصة بالإجراء.
وتشمل النهج المتاحة للجراحين لشحذ مهاراتهم مع صفائف ميكرويليكترودي في بيئة آمنة الثدييات غير البشرية والجثث البشرية. أن إخلاص استنساخ نموذج التدريب المثالي بحجم وسمك الجمجمة البشرية؛ بالمتانة وتشعبت الأوعية الدموية دوراً؛ نمط جيريفيكيشن، والاتساق ونبض الدماغ البشري؛ وجود تعميم الدم والسائل النخاعي؛ وتحديد المواقع الشاملة لهذا الموضوع في غرفة العمليات (أو)–مثل البيئة. وهكذا، تحتاج نماذج حيوانية تكون بحجم كاف توفير تجربة ذات مغزى للجراحين. الرئيسيات غير البشرية الكبيرة تأتي الأقرب، ولكن استخدامها للتدريب الجراحي لا يمكن تحمله على حد سواء من منظور أخلاقي، ونظرا لأنها مكلفة. لا تقم بإدخال القوارض النظر بسبب صغر حجمها؛ استخدام حتى القطط أو أرانب يعني متباينة إلى حد كبير من بيئة أو شبيهة.
الجثامين البشرية تمثل بديلاً جذاباً. وتشمل مزاياها الحياة مثل حجم وشكل الرأس والدماغ وإمكانية إعداد التدريب الجراحي في بيئة مثل أو. أن الخروج الأكثر وضوحاً من حالة واقعية هي عدم وجود نبضات المخ والنزيف والتعديلات في الجانب ويبينون أنسجة الجسم التي محددة للطريقة المستخدمة ل الحفاظ على الجثث24. الجثامين مجمدة طازجة الحفاظ على الاتساق والمرونة للعديد من الأعضاء والأنسجة إلى حد ما، ولكن لها عدة عيوب: يبدأون اللاإنسانية بمجرد ذوبان الجليد يبدأ، حتى أن الدماغ يصبح المتردية جداً لإدراج ميكروليكترودي الصفيف المراد تنفيذها واقعيا، ومورد نادر نسبيا وباهظة الثمن. الجثامين فورمالدهايد ثابتة، من ناحية أخرى، أكثر بأسعار معقولة ومتاحة وأكثر دواما، على حساب الاتساق تصلب الأنسجة.
هنا، يمكننا إنشاء إجراء باستخدام نموذج ثابت فورمالدهايد الجثث بشرية لتوفير تدريب الجراحة العصبية لغرس مجموعة ميكروليكترودي نيوكورتيكال. نهجنا يسمح واقعية، أو مثل تحديد المواقع وأجهزة القياس؛ أداء اوديما ودوروتومي وتعريض سطح نيوكورتيكال؛ إرفاق قاعدة التمثال القطب بعظم الجمجمة المجاورة اوديما؛ وإدراج مجموعة ميكروليكترودي اللحاء الجديد مع المسبار هوائي25. حاسمة، وهي تمكن الجراحين الممارسة محاذاة دقيقة لمجموعة ميكروليكترودي (وهو متصل بقاعدة التمثال القطب بحزمة من الأسلاك ذهبية فردي معزول) موازيا ل السطح نيوكورتيكال26. لدينا بروتوكول يتطابق إخلاص الإشارة بغرس الصفيف ميكروليكترودي جنبا إلى جنب مع غرس اكوج في المرضى الذين هم المرشحين لجراحة الصرع. تفاصيل جراحة زرع تتأثر إلى حد كبير بالضبط نوع الصفيف ميكرويليكترودي؛ هنا، نحن تصف الإجراء الخاص بأحد الصفائف التي تلقت مؤخرا موافقة الجهات التنظيمية للاستخدام في البشر في الولايات المتحدة الأمريكية. الصفيف يوتا ما يسمى تتألف من 4 x 4 مم، وشبكة ميكرويليكترودي 100؛ قاعدة التمثال transcutaneous المرتبط بالجدول الخارجي للجمجمة؛ وحزمة أسلاك توصيل الاثنين.
Protocol
Representative Results
Discussion
نموذج ثابت فورمالدهايد الجثث البشرية والبروتوكول الجراحية الموصوفة هنا تكرار العملية الجراحية لزرع صفائف ميكروليكترودي إلى البشرية اللحاء الدماغي الجديد. كل خطوة من الإجراءات، بما في ذلك الموضع من الصفيف ميكروليكترودي وفي الإدراج مع الواضع هوائي، المضي قدما تقريبا بنفس الطريقة كما هو …
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
الكتاب ممتنون للدكتور روب فرانكلين (بلاك روك Microsystems)، الأستاذ مارجيتا سيك (شعبة طب الأعصاب، مستشفى جامعة جنيف، جنيف، سويسرا)، الدكتور أندريا بارتولي والأستاذ كارل شالر (شعبة جراحة الأعصاب، جامعة جنيف المستشفيات، جنيف، سويسرا)، والسيد فلوران بوردين والبروفسور جون دونوهيو ص (ويس مركز بيو ونيورونجينيرينج، جنيف، سويسرا) لدعمها في إعداد هذا العمل.
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 |
References
- 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).
