Fabrication de l’interface nerveuse périphérique régénératrice composite (C-RPNI) chez le rat adulte
Summary
Le manuscrit suivant décrit une nouvelle méthode pour développer un système biologique de rétroaction neuronale en boucle fermée appelé interface nerveuse périphérique régénérative composite (C-RPNI). Cette construction a la capacité d’intégrer avec les nerfs périphériques pour amplifier les signaux moteurs efferent tout en fournissant simultanément une rétroaction sensorielle afférente.
Abstract
Les progrès récents dans les neuroprothèses ont permis à ceux qui vivent avec la perte d’extrémité de reproduire beaucoup de fonctions indigènes à l’extrémité absente, et ceci est souvent accompli par l’intégration avec le système nerveux périphérique. Malheureusement, les méthodes actuellement employées sont souvent associées à des dommages importants de tissu qui empêchent l’utilisation prolongée. En outre, ces dispositifs manquent souvent de tout degré significatif de rétroaction sensorielle que leur construction complexe amortit toutes les vibrations ou d’autres sensations d’un utilisateur peut avoir déjà dépendu lors de l’utilisation de prothèses plus simples. L’interface nerveuse périphérique régénératrice composite (C-RPNI) a été développée comme une construction stable et biologique avec la capacité d’amplifier les signaux efferents de nerf moteur tout en fournissant la rétroaction sensorielle afferent simultanée. Le C-RPNI se compose d’un segment de greffe cutanée et musculaire libre fixée autour d’un nerf sensorimoteur mixte cible, avec la réinnervation préférentielle de nerf moteur de la greffe de muscle et de la réinnervation sensorielle de nerf de la greffe cutanée. Chez les rats, cette construction a démontré la génération de potentiels d’action musculaire composé (CMAPs), amplifiant le signal du nerf cible du niveau micro-à milli-volt, avec des rapports signal-bruit en moyenne d’environ 30-50. La stimulation de la composante cutanée de la construction génère des potentiels d’action sensorielle composé de nerf (CSNAPs) au nerf proximal. En tant que tel, cette construction a une utilité future prometteuse vers la réalisation de l’idéal, prothèse intuitive.
Introduction
Les amputations d’extrémité affectent près d’un Américain sur 1901, et leur prévalence devrait augmenter de 1,6 million aujourd’hui à plus de 3,6 millions d’ici 20502. Malgré une utilisation documentée depuis plus d’un millénaire, la prothèse idéale n’a pas encore été réalisée3. Actuellement, il existe des prothèses complexes capables de multiples manipulations articulaires avec le potentiel de reproduire de nombreuses fonctions motrices de l’extrémité indigène4,5. Cependant, ces dispositifs ne sont pas considérés comme intuitifs car le mouvement prothétique désiré est généralement fonctionnellement séparé du signal de commande d’entrée. Les utilisateurs considèrent généralement ces «prothèses avancées» difficile à apprendre et donc pas adapté à une utilisation quotidienne1,6. En outre, les prothèses complexes actuellement sur le marché ne fournissent aucun degré appréciable de rétroaction sensorielle subtile pour un contrôle adéquat. Le sens du toucher et de la proprioception sont essentiels à l’exécution des tâches quotidiennes, et sans ceux-ci, des actes simples tels que ramasser une tasse de café deviennent lourds car il repose entièrement sur des indices visuels7,8,9. Pour ces raisons, les prothèses avancées sont associées à un degré important de fatigue mentale et sont souvent décrites comme lourdes et insatisfaisantes5,10,11. Pour remédier à cette situation, certains laboratoires de recherche ont mis au point des prothèses capables de fournir un degré limité de rétroaction sensorielle par l’interaction neuronale directe12,13,14,15, mais la rétroaction est souvent limitée à de petites zones dispersées sur les mains et les doigts12,13, et les sensations ont été notées pour être douloureux et contre nature à certains moments15. Beaucoup de ces études manquent malheureusement de suivi à long terme appréciable et d’histologie nerveuse pour délimiter les effets des tissus locaux, tout en notant l’échec de l’interface sur l’échelle des semaines aux mois16.
Pour cette population, le dispositif prothétique idéal fournirait le contrôle moteur de haute fidélité à côté de la rétroaction somatosensory significative de l’environnement de l’individu tout au long de leur vie. Critique à la conception de ladite prothèse idéale est le développement d’une interface stable et fiable qui permettrait la transmission simultanée d’informations somatosensorielles afférentes avec des signaux moteurs efferents. Les interfaces humaines-machines actuelles sont celles qui interagissent directement avec le système nerveux périphérique, et les développements récents dans le domaine des prothèses neuro-intégrées ont travaillé à combler le fossé entre les signaux bioélectriques et mécaniques17. Les interfaces actuelles utilisées incluent : plaques nerveuses flexibles14,15,18, électrodes de manchette extra-neurales13,19,20,21,22,23, tissus pénétrant des électrodes24,25,31,32, et électrodes intrafascicular26,27 ,28. Cependant, chacune de ces méthodes a démontré des limitations en ce qui concerne la spécificité de nerf, les dommages de tissu, la dégénérescence axonale, l’épuisement de myéline, et/ou la formation de tissu de cicatrice s’est associée à la réponse étrangère chronique de corps16,17,18,19. Plus récemment, il a été postulé qu’un conducteur derrière l’échec éventuel d’électrode implantée est la différence significative dans le moduli de Young entre le matériel électronique et le tissu neural indigène. Le tissu cérébral est sujet à une micromotion significative sur une base quotidienne, et il a été théorisé que le stress de cisaillement induit par les différences dans le moduli de Young provoque l’inflammation et les cicatrices permanentes éventuelles30,31,32. Cet effet est souvent aggravé dans les extrémités, où les nerfs périphériques sont soumis à la fois à la micromotion physiologique et à la macromotion intentionnelle des extrémités. En raison de ce mouvement constant, il est raisonnable de conclure que l’utilisation d’une interface nerveuse périphérique complètement abiotique n’est pas idéale, et une interface avec un composant biologique serait plus approprié.
Pour répondre à ce besoin d’un composant biologique, notre laboratoire a développé une interface de nerf biotique appelée l’interface périphérique régénérative de nerf (RPNI) pour intégrer les nerfs périphériques transectés dans un membre résiduel avec un dispositif prosthétique. La fabrication de RPNI implique chirurgicalement l’implantation d’un nerf périphérique dans une greffe musculaire libre autologue, qui se revascularise et réinnervate par la suite. Notre laboratoire a développé cette interface neurologique de nerf au cours de la dernière décennie, avec le succès en amplifiant et en transmettant des signaux moteurs une fois combinés avec des électrodes implantées dans les essais animaux et humains, permettant le contrôle prosthétique approprié avec de multiples degrés de liberté2,34. En outre, nous avons démontré séparément la rétroaction sensorielle par l’utilisation des nerfs périphériques incorporés dans les greffes cutanées, appelées l’interface sensorielle dermique (DSI)3,35. Dans les amputations plus distales, l’utilisation simultanée de ces constructions est faisable car les fascicles moteurs et sensoriels dans le nerf périphérique cible peuvent être chirurgicalement séparés. Cependant, pour des amputations de niveau plus proximales, ce n’est pas faisable en raison de l’entremêlement des fibres motrices et sensorielles. L’interface nerveuse périphérique régénérative composite (C-RPNI) a été développée pour des amputations plus proximales, et il s’agit d’implanter un nerf sensorimoteur mixte dans une construction consistant en une greffe musculaire libre fixée à un segment de greffe cutanée (Figure 1). Les nerfs périphériques démontrent la réinnervation ciblée préférentielle, ainsi les fibres sensorielles re-innervate la greffe cutanée et les fibres motrices, la greffe de muscle. Cette construction a donc la capacité d’amplifier simultanément les signaux moteurs tout en fournissant une rétroaction somatosensorielle36 (Figure 2), permettant la réalisation de la prothèse idéale, intuitive et complexe.
Protocol
Representative Results
Discussion
Le C-RPNI est une nouvelle construction qui fournit une amplification simultanée des signaux efferents moteurs d’un nerf cible avec une rétroaction sensorielle afférente. En particulier, le C-RPNI a une utilité unique pour ceux qui vivent avec des amputations proximales que leur moteur et fascicles sensoriels ne peuvent pas facilement être mécaniquement séparés pendant la chirurgie. Au lieu de cela, le C-RPNI utilise les propriétés de réinnervation préférentielles inhérentes du nerf lui-même pour encoura…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Les auteurs tiennent à remercier Jana Moon pour son assistance technique experte. Les études présentées dans ce document ont été financées par une subvention R21 (R21NS104584) à SK.
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 |
References
- 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).
