ייצור של ממשק היקפי מורכב משובי היקפית (C-RPNI) בעכברוש למבוגרים
Summary
כתב היד הבא מתאר את השיטה הרומן לפיתוח biologic, סגור לולאה מערכת משוב עצבית כינה את ממשק משובי היקפית מורכבים היקפי (C-RPNI). במבנה זה יש את היכולת להשתלב עם עצבי היקפי כדי להגביר את אותות המנוע efferent תוך שהוא מספק בו משוב חושי.
Abstract
ההתפתחויות האחרונות בנוירותותבות אפשרו לאלה החיים עם אובדן הגפיים להתרבות פונקציות רבות ממקור לגפיים הנעדרים, ולעיתים קרובות מושגת באמצעות אינטגרציה עם מערכת העצבים ההיקפית. למרבה הצער, שיטות המועסקים כיום משויכים לעתים קרובות עם נזק רקמות משמעותי אשר מונע שימוש ממושך. בנוסף, התקנים אלה חסרים לעיתים קרובות כל מידה משמעותית של משוב חושי כאשר לחות הבנייה המורכבים שלהם ויברציות או תחושות אחרות שהמשתמש היה תלוי בעבר בעת שימוש בתותבות פשוטות יותר. ממשק היקפי משובי היקפית (C-RPNI) פותחה כאורווה, ביולוגי לבנות עם היכולת להגביר את האותות העצביים המוטוריים, תוך מתן משוב חושי משוב חושים בו. C-RPNI מורכב מקטע של שתל חינם העורי ושריר השתלת מאובטח סביב היעד מעורב sensorimotor העצב, עם מועדף מנוע עצבי העצב של השתל שריר העצב החושי של השתל העורי. בחולדות, המבנה הזה הראה את הדור של פוטנציאל פעולה שרירים מורכבים (CMAPs), הגברה של האות של עצב היעד מתוך רמת מיקרו עד מילי וולט, עם אות ליחסי רעש בממוצע כ 30-50. גירוי של המרכיב העורי של המבנה יוצר מתחם עצבי חושים מורכבים (CSNAPs) בעצב הבית. ככזה, המבנה הזה יש מבטיח בעתיד השירות לקראת הגשמת האידיאל, התותבת אינטואיטיבי.
Introduction
קטיעות הגפיים להשפיע על כמעט 1 ב 190 אמריקאים1, ואת שכיחות שלהם מוקרן להגדיל מ 1,600,000 היום על 3,600,000 על ידי 20502. למרות השימוש המתועד במשך יותר מאלף, תותבת אידיאלית טרם התממשו3. כיום, קיימים תותבות מורכבות מסוגל מניפולציות משותפת מרובים עם פוטנציאל לשכפל פונקציות מוטוריות רבות של הגפיים הטבעי4,5. עם זאת, התקנים אלה אינם נחשבים אינטואיטיביים כמו התנועה תותבת הרצויה הוא בדרך כלל נפרד מבחינה פונקציונלית מהאות בקרת קלט. משתמשים בדרך כלל לשקול אלה “תותבות מתקדמות” קשה ללמוד ולכן לא מתאים לשימוש יומיומי1,6. בנוסף, מורכבות תותבות כרגע בשוק לא מספקים שום מידה ניכרת של משוב חושי עדין עבור שליטה נאותה. תחושת המגע והקינסטזיה הינם חיוניים לביצוע משימות יומיות, ובלעדיהם, מעשים פשוטים כגון להרים ספל קפה הופכים לבורדכמה כפי שהוא מסתמך לחלוטין על רמזים חזותיים7,8,9. מסיבות אלו, תותבות מתקדמות משויכים למידה משמעותית של עייפות נפשית ומתוארות בדרך כלל כ-עיק ובלא משביע רצון5,10,11. כדי לטפל בכך, כמה מעבדות מחקר פיתחו תותבות מסוגל לספק מידה מוגבלת של משוב חושי באמצעות אינטראקציה עצבית ישירה12,13,14,15, אבל משוב מוגבל בדרך כלל לאזורים קטנים, מפוזרים על הידיים והאצבעות12,13, והתחושות היו ציינו להיות כואבים ולא טבעי בזמן15. רבים ממחקרים אלה למרבה הצער חסר כל מעקב לטווח ארוך והיסטולוגיה עצבים כדי להתוות השפעות רקמה מקומיות, בעוד לציין כשל ממשק בקנה מידה של שבועות עד חודשים16.
עבור אוכלוסיה זו, המכשיר האידיאלי תותבת יספק אמינות גבוהה בקרת מנוע לצד משוב המגע משמעותי מהסביבה של הפרט במשך כל חייהם. קריטי על העיצוב של אמר האידיאל האידיאלי הוא הפיתוח של יציבה, ממשק אמין שיאפשר שידור סימולטני של מידע המגע כלי לימפה עם אותות מוטוריים efferent. ממשקי האדם הנוכחי המבטיחים ביותר הם אלה שיוצרים אינטראקציה עם מערכת העצבים ההיקפית ישירות, וההתפתחויות האחרונות בתחום התותבות המשולבות של המערכת פעלו לקראת גישור הפער בין ביואלקטריים לאותות מכניים17. הממשקים הנוכחיים מנוצלים כוללים: לוחיות העצב גמיש14,15,18, אלקטרודות אקסטרה עצביים13,19,20,21,22,23, הרקמה החודרת לרקמות24,25,31,32, וכימיקלים לפני השטח26,27 ,28. עם זאת, כל אחת מהשיטות האלה הוכיחה מגבלות לגבי ספציפיות העצבים, פגיעה ברקמות, ניוון סיבי, מיאלין מיאימס, ו/או צלקת היווצרות של צלקות הקשורות לתגובה גוף זר שכינתה כרונית16,17,18,19. לאחרונה, זה כבר הציע כי הנהג מאחורי כישלון האלקטרודה מושתל בסופו של דבר הוא ההבדל המשמעותי של המודוללי הצעיר בין החומר האלקטרוני רקמות עצביות טבעי. רקמת המוח כפוף micromotion משמעותי על בסיס יומי, והוא כבר תיאוריה כי המתח להטות הנגרמת על ידי הבדלים של מודלי צעירים מודולים גורם לדלקת בסופו של דבר הצטלקות30,31,32. אפקט זה מורכב לעתים קרובות בגפיים, כאשר עצבי היקפי כפופים שני מיקרומטר פיזיולוגי ו macromotion הגפיים מכוון. בשל תנועה זו קבועה, סביר להסיק כי ניצול של ממשק היקפי אביוטיים לחלוטין הוא לא אידיאלי, וממשק עם רכיב יולוגי יהיה מתאים יותר.
כדי לטפל בצורך זה ברכיב יולוגי, המעבדה שלנו פיתחה ממשק עצבי ביוטי כינה את ממשק העצבי ההיקפי ההיקפית (RPNI) כדי לשלב את העצבים ההיקפית היקפית באיבר שיורית עם מכשיר תותבת. ייצור RPNI כרוך בניתוח השתלת העצב ההיקפי לתוך שתל אוטוולוגי שרירים חינם, אשר לאחר מכן revascularizes ו reinnervates. המעבדה שלנו פיתחה זה ממשק עצבי יולוגי בעשור האחרון, עם הצלחה הגברה ושידור אותות מוטוריים כאשר בשילוב עם אלקטרודות מושתל בבעלי חיים ובניסויים אנושיים, המאפשר שליטה תותבת מתאים עם דרגות מרובות של חופש2,34. בנוסף, יש לנו בנפרד הפגינו משוב חושי דרך השימוש בעצבים היקפיים מוטבע שתלי העורי, כינה את הממשק החושי עורי (dsi)3,35. בעוד הרבה יותר, באמצעות המבנים האלה בו הוא אפשרי כמו מנוע והחושים בתוך העצב ההיקפי היעד ניתן להפריד בניתוח. עם זאת, עבור כריתות ברמה הגבוהה ביותר, זה לא אפשרי עקב התמזגות של סיבים מוטוריים וחישה. ממשק היקפי הפריפריה ההיקפית (C-RPNI) פותחה עבור כריתות האבועות יותר, וזה כרוך בנטיעת העצב sensorimotor מעורב לתוך בונה המורכב השתל בחינם שרירים מאובטח על קטע של השתל עורי (איור 1). עצבי היקפי להפגין מועדפים ממוקד ממוקדות, ובכך סיבי חישה יהיה re-innervate השתל העורי וסיבים מוטוריים, שתל שריר. למבנה זה יש את היכולת להגביר בו אותות מוטוריים תוך מתן המגע משוב36 (איור 2), המאפשר להגשמת האידיאלי, אינטואיטיבי, מורכב תותבת.
Protocol
Representative Results
Discussion
C-RPNI הוא מבנה הרומן המספק הגברה בו של מנוע עצבי מטרה efferent אותות עם אספקת משוב חושי. בפרט, C-RPNI יש כלי ייחודי עבור אלה החיים עם הקטיעות האבותיים כמו המנוע שלהם fascicles מנוע לא יכול בקלות להיות מופרדים מכנית במהלך הניתוח. במקום זאת, ה-C-RPNI מנצל את תכונות העצבים הטמונות בעצב עצמו כדי לעודד הטיות של ס?…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
המחברים רוצים להודות לג’נה מון על סיוע טכני מומחה. מחקרים שהוצגו במאמר זה ממומנים באמצעות R21 (R21NS104584) מענק 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).
