Kirurgisk opplæring for implantering av Neocortical Microelectrode matriser med formaldehyd-fast menneskelige Cadaver modell

Summary

Vi utviklet en prosedyre som en formaldehyd-fast menneskelige cadaver brukes til å hjelpe neurosurgeons i trening for implantering av microelectrode matriser i neocortex av den menneskelige hjernen.

Abstract

Denne protokollen beskriver en fremgangsmåte for å bistå kirurger i trening for implantering av microelectrode matriser i neocortex av den menneskelige hjernen. Nyere teknologiske fremskritt har aktivert fabrikasjon av microelectrode matriser at innspillingen aktiviteten av flere individuelle neurons i neocortex av den menneskelige hjernen. Disse kjedene har potensial til å få innblikk på neuronal korrelerer cerebral funksjon i helse og sykdom. Videre identifikasjon og dekoding volitional neuronal aktivitet åpner muligheten for å etablere hjerne-computer grensesnitt, og dermed kan hjelpe gjenopprette tapt nevrologiske funksjoner. Implantering av neocortical microelectrode matriser er en invasiv prosedyre krever en supra-centimetric craniotomy og eksponering av kortikale overflaten; Dermed må prosedyren utføres av en tilstrekkelig opplært nevrokirurg. For å gi en mulighet for kirurgisk opplæring, utviklet vi en prosedyre basert på en menneskelig cadaver modell. Bruk av en formaldehyd-fast menneskelige cadaver forbigår praktiske, etiske og økonomiske vanskelighetene med kirurgisk praksis på dyr (spesielt ikke-menneskelige primater) samtidig bevare makroskopisk strukturen av hodet, skallen, meninges og cerebral overflaten og gir realistisk, operasjonsstuen-lignende plassering og instrumentering. Videre er bruk av en menneskelig cadaver nærmere daglig praksis enn noen ikke-menneskelige modell. De største ulempene med cadaveric simuleringen er fravær av cerebral pulsering og av blod og Cerebrospinalvæske sirkulasjon. Vi foreslår at formaldehyd-fast menneskelige cadaver modell er tilstrekkelig, praktisk og kostnadseffektiv tilnærming til å sikre riktig kirurgisk trening før implanting microelectrode matriser i levende menneskelige neocortex.

Introduction

De siste årene har sett utviklingen av teknologiske løsninger til utfordringen med å registrere aktiviteten til flere individuelle neurons i levende hjerne^1,2,3. Silicon-basert microelectrode matriser utføre tilsvarende til konvensjonelle wire microelectrodes i egenskaper signal, og de kan ta opp fra dusinvis til hundrevis av nerveceller i en liten stripe av cerebral tissue^{4,5, 6 , 7}. microelectrode matriser har tillot forskerne å etablere korrespondanse mellom nevrale aktivitet i primære motorisk cortex apekatter og arm bevegelser⁸, som i sin tur har gitt et løft til utviklingen av hjerne-computer grensesnitt (BCIs)⁹.

Microelectrode matriser er brukt i mennesker i to situasjoner: som kronisk implantater å kontrollere BCIs og semi kronisk implantater å studere aktiviteten til individuelle neurons i pasienter som lider av epilepsi. Kronisk implantater, målretting funksjonelle representasjon av hånden i primære motorisk cortex, har tillatt pasienter som lider av tetraplegia å kontrollere bevegelse av en robotarm eller datamaskinen markører^{10,11,12 ,13}. Semi kronisk implantater, satt sammen med subdural electrocorticography (ECOG) elektroder hos pasienter med stoff-resistent epilepsi som er kandidater for epilepsi kirurgi¹⁴, tillate enheter opptakene før, under og etter beslag, og har begynt å kaste lys over aktiviteten til enkelt neurons under og mellom epileptiske anfall,^15,,^16,,^17,,^18,,¹⁹. Microelectrode matriser har potensial til å forbedre vår forståelse av hvordan hjernen fungerer ved å etablere en kobling mellom aktiviteten av neurons, på den ene siden, og oppfatninger, bevegelser og tanker av mennesker, både i helse og sykdom, på andre^20,21.

Silicon-basert microelectrode matriser er nå tilgjengelig kommersielt og deres bruk i mennesker er godkjent av myndighetene i USA i semi kronisk epilepsi indikasjon. Men disse enhetene er invasiv og må settes inn i hjernen. De negative konsekvensene av bli teknikk, utover svikt i enheten til nevronale aktiviteten, inkluderer hjerneblødning og infeksjon, med potensial for langvarige eller permanente Nevrologisk dysfunction. Selv om komplikasjoner av microelectrode matrise implantasjon er foreløpig ukjent, er potensielt alvorlige komplikasjoner under implantering av intrakranielt Elektroencefalogram (EEG) macroelectrodes 1-5%^{22, 23}. derfor riktig implantering av microelectrode matriser krever både omfattende neurosurgical ferdigheter og prosedyre-spesifikk opplæring.

Tilnærminger tilgjengelig for kirurger å finpusse sine ferdigheter med microelectrode matriser i et trygt miljø inkluderer ikke-menneskelige pattedyr og menneskelige levningene. Den ideelle modellen vil gjengi størrelsen og tykkelsen på den menneskelige kraniet; seighet og vaskulær forgrening av dura; gyrification mønster, konsekvent og pulsering av den menneskelige hjernen; tilstedeværelsen av sirkulerende blod og Cerebrospinalvæske; og generelle emnet i en operasjonsstuen (OR)-som miljø. Dermed må dyremodeller være tilstrekkelig størrelse å gi en meningsfull erfaring til kirurgene. Store ikke-menneskelige primater kommer, men deres bruk for kirurgisk opplæring er bærekraftig både fra et etisk perspektiv og fordi de er dyre. Gnagere angir ikke vurdering på grunn av sin lille størrelse; selv kattene eller kanin innebærer avviker betydelig fra en OR-lignende miljø.

Menneskelige levningene representerer et attraktivt alternativ. Deres fordeler inkluderer livet som størrelsen og formen på hodet og hjernen og muligheten for å sette opp kirurgisk opplæring i OR-lignende miljø. De mest åpenbare avganger fra en realistisk situasjon er fravær av cerebral pulseringer og blødning og endringene i aspektet og konsistens av kroppens vev som er spesifikke for teknikken ansatt cadaver bevaring²⁴. Frisk-frosne levningene bevare konsistens og fleksibiliteten til mange organer og vev til en viss grad, men de har flere ulemper: de begynner nedverdigende snarest tining begynner, slik at hjernen blir også degradert for innsetting av en microelectrode matrise utføres realistisk, og de er en relativt sjelden og kostbar ressurs. Formaldehyd-fast levningene, derimot, er mer rimelig og tilgjengelig og mye mer holdbar, på bekostning av herdet vev konsistens.

Her etablere vi en prosedyre med formaldehyd-fast menneskelige cadaver modell for å gi neurosurgical trening for implantering av en neocortical microelectrode matrise. Vår tilnærming kan realistisk, OR-lignende plassering og instrumentering; craniotomy og durotomy og utsette neocortical overflaten; feste sokkelen elektrode skallen beinet nabokommunene craniotomy; og sette microelectrode matrisen inn neocortex med en pneumatisk nedslaget²⁵. Kritisk, muliggjør kirurger å praktisere presise justeringen av microelectrode array (som er koblet til elektroden sokkelen med masse individuelt isolert gull ledninger) parallell til det neocortical overflaten²⁶. Våre protokollen reproduserer trofast indikasjon på microelectrode matrise implantasjon sammen med ECOG implantasjon hos pasienter som er kandidater for epilepsi kirurgi. Opplysninger om implantasjon kirurgi er betydelig påvirket av den eksakte typen microelectrode matrise. Her beskriver vi fremgangsmåten for en matrise som nylig mottatt godkjennelse for bruk i mennesker i USA. Rekken såkalte Utah består av en 4 x 4 mm, 100 microelectrode rutenett. en transkutan pidestall som er knyttet til tabellen eksterne av skallen; og en wire bunt mellom to.

Protocol

Den menneskelige cadaver brukt i dette arbeidet ble gitt under rammen av kroppen donasjoner for medisinsk utdannelse. Informert samtykke for kroppen donasjon ble innhentet skriftlig i løpet av donor. I henhold til føderale og cantonal lovene var ingen omtale av en etisk komite nødvendig. Merk: Denne protokollen forutsetter at personer utføre praksis kirurgi er neurosurgeons med opplæring og kompetanse i standard neurosurgical prosedyrer, inkludert pasienten posisjonering og hodet fikserin…

Representative Results

Våre protokollen bruker en formaldehyd-fikserte menneskelige cadaver modell for å tillate kirurger å praktisere den kirurgiske prosedyren av implanting et microelectrode utvalg i et neocortex i en realistisk, OR-lignende miljø. Muligheten til å utføre obduksjon neuroimaging, som CT, vil bekrefte fravær av noen betydelig intrakranielt lesjon (figur 1A) og kan hjelpe med valg av webområdet implantasjon. Arbeide med en hele prøven og definere for kirurgi på en operasjonsbordet øker r…

Discussion

Formaldehyd-fast menneskelige cadaver modellen og kirurgisk protokollen beskrevet her replikere kirurgiske prosedyren for implanting microelectrode matriser i den menneskelige hjerne neocortex. Hvert trinn i prosedyren, inkludert plasseringen av microelectrode array og dens innsetting med pneumatiske inserter, Fortsett på nesten samme måte som i en ekte pasient, med unntak at cerebral pulsering og er fraværende. De avgjørende skritt i protokollen er justeringen av microelectrode matrise med neocortical overflaten og …

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