성인 쥐의 복합 재생 말초 신경 인터페이스 (C-RPNI)의 제조
Summary
다음 원고는 복합 재생 말초 신경 인터페이스(C-RPNI)라고 불리는 생물학적, 폐쇄 루프 신경 피드백 시스템을 개발하기 위한 새로운 방법을 설명합니다. 이 구조는 주변 신경과 통합하여 원심성 모터 신호를 증폭하는 동시에 구심성 감각 피드백을 제공하는 기능을 가지고 있습니다.
Abstract
신경 보철에 있는 최근 어드밴스는 결석 한 사지에 네이티브 많은 기능을 재현하기 위해 사지 손실을 가진 사람들을 가능하게하고, 이것은 종종 말초 신경계와의 통합을 통해 달성된다. 불행 하 게도, 현재 사용 하는 방법은 종종 장기간된 사용을 방지 하는 중요 한 조직 손상과 관련 된. 또한, 이러한 장치는 복잡한 구조로 인해 사용자가 이전에 더 간단한 보철을 사용할 때 의존했을 수 있는 진동이나 기타 감각을 약화시킬 수 있기 때문에 감각 피드백의 의미 있는 정도가 부족한 경우가 많습니다. 복합 재생 말초 신경 인터페이스 (C-RPNI)는 동시 구심성 감각 피드백을 제공하면서 원심성 모터 신경 신호를 증폭할 수있는 안정적이고 생물학적 구조로 개발되었습니다. C-RPNI는 근육 이식의 우선 모터 신경 재심 및 진피 이식의 감각 신경 재심과 함께 대상 혼합 감각 신경 주위에 고정 된 자유 진피 및 근육 이식의 세그먼트로 구성됩니다. 쥐에서, 이 구조는 화합물 근육 작용 전위 (CMAP)의 생성을 입증했다, 마이크로 – 밀리 볼트 수준에서 대상 신경의 신호를 증폭, 약 30-50 평균 잡음 비에 신호와. 구성물의 진피 성분의 자극은 근위 신경에서 복합 감각 신경 작용 전위(CSNAPs)를 생성한다. 따라서, 이 구조는 이상적이고 직관적인 보철물의 실현을 향한 미래의 유틸리티를 약속합니다.
Introduction
사지 절단은 190명의 미국인1에있는 거의 1에 영향을 미치고, 그들의 보급은 2050년2년까지160만에서 360만 이상으로 증가할 것으로 예상됩니다. 천년 이상 에 대한 문서화 된 사용에도 불구하고, 이상적인 보철은 아직 실현되지않았습니다 3. 현재, 네이티브 말단4,5의많은 운동 기능을 재현 할 수있는 잠재력을 가진 여러 관절 조작이 가능한 복잡한 보철이 존재한다. 그러나, 이러한 장치는 원하는 보철 운동이 전형적으로 입력 제어 신호와 기능적으로 분리되기 때문에 직관적인 것으로 간주되지 않는다. 사용자는 일반적으로 이러한 “고급 보철물”을 배우기 어렵고 따라서 일상적인 사용에 적합하지 않다고 간주1,6. 또한 현재 시판중인 복잡한 보철은 적절한 제어를 위해 미묘한 감각 피드백을 제공하지 않습니다. 터치와 프로피오셉션의 감각은 일상적인 작업을 수행하는 데 필수적이며, 이러한 없이는 커피 한 잔을 집어 들고 같은 간단한 행위가 시각적 단서7,8,9에전적으로 의존하기 때문에 부담이됩니다. 이러한 이유로 고급 보철은 상당한 정도의 정신적 피로와 관련이 있으며 종종 부담스리고 만족스럽지 않은5,10,11로설명됩니다. 이를 해결하기 위해 일부 연구실에서는 직접 신경 상호작용12,13,14,15를통해 제한된 수준의 감각 피드백을 제공할 수 있는 보철을 개발하였지만, 피드백은 손과 손가락에 작고 흩어진영역(12,13)및 감각이15시에고통스럽고 부자연스럽다고 지적되었다. 이러한 연구의 대부분은 불행하게도 지방 조직 효과를 묘사하기 위해 어떤 상당한 장기 후속 및 신경 조직학부족, 달에 주 에 의 한계 실패를 지적하면서16.
이 인구를 위해, 이상적인 보철 장치는 그들의 일생 내내 개별의 환경에서 의미 있는 체감각 피드백과 더불어 높은 충실도 모터 통제를 제공할 것입니다. 이러한 이상적인 보철물의 설계에 중요한 것은 원심성 체감각 정보를 원심성 모터 신호와 동시에 전송할 수 있는 안정적이고 신뢰할 수 있는 인터페이스의 개발입니다. 현재 인간-기계 인터페이스의 가장 유망한 것은 말초 신경계와 직접 상호 작용하는 것들이며, 신경 통합 보철 분야의 최근 발전은 생체 전기 및 기계적 신호 사이의 격차를 해소하기 위해 노력해 왔으며17. 활용 전류 인터페이스는 다음과 같습니다 유연한 신경 플레이트14,15,18,초 신경 커프 전극13,19,20,21,22,23,조직 관통 전극24,25,31,32,및 파자내 전극26,27 ,28. 그러나, 이들 각각의 방법은 만성 내적 이물질 반응과 관련된 신경 특이성, 조직 손상, 축색 변성, 미엘린 고갈 및/또는 흉터 조직 형성에 관한 제한을 입증했다16,17,18,19. 최근에는 최종 이식 된 전극 실패 의 뒤에 드라이버가 전자 물질과 네이티브 신경 조직 사이의 영의 계수에 상당한 차이가 있다고 가정하고있다. 뇌조직은 매일 상당한 미세운동을 일으키며, 영의 변둘리의 차이에 의해 유발된 전단 스트레스가 염증을 일으키고 결국 영구적인 흉터를 남기는30,31,32라고이론화되어 왔다. 이 효력은 말초 신경이 생리적인 micromotion 및 의도적인 사지 macromotion 둘 다의 대상이 되는 사지에서 수시로 복합됩니다. 이러한 일정한 움직임으로 인해 완전히 비생물적인 말초 신경 인터페이스의 활용이 이상적이지 않으며 생물학적 구성 요소와의 인터페이스가 더 적합하다고 결론짓는 것이 합리적입니다.
생물학적 구성 요소에 대한 이러한 필요성을 해결하기 위해, 우리의 실험실은 재생 말초 신경 인터페이스라는 생물 신경 인터페이스를 개발 (RPNI) 보철 장치와 잔여 사지에 transected 말초 신경을 통합. RPNI 제조는 외과적으로 말초 신경을 자가 무료 근육 이식편으로 이식하는 것을 포함하며, 이는 이후에 재혈관화및 재심을 불러오게 합니다. 우리의 실험실은 지난 10 년 동안이 생물학적 신경 인터페이스를 개발했으며, 동물 및 인체 실험에서 이식 된 전극과 결합 할 때 모터 신호를 증폭하고 전송하는 데 성공하여 여러자유도의적절한 보철 제어를가능하게했습니다 2,34. 또한, 우리는 별도로 진피 이식편에 내장된 말초 신경의 사용을 통해 감각 피드백을 입증하, 진피 감각 인터페이스 (DSI)3,35라고합니다. 더 말단 절단에서, 이 구조물을 동시에 사용하는 것은 표적 말초 신경 내의 모터 및 감각 근막이 외과적으로 분리될 수 있기 때문에 가능하다. 그러나, 더 근위 수준 절단을 위해, 이것은 모터와 감각 섬유의 혼합 때문에 가능하지 않습니다. 복합 재생 말초 신경 인터페이스 (C-RPNI)는 더 근위 절단을 위해 개발되었으며, 진피 이식편 세그먼트에 고정 된 자유 근육 이식으로 구성된 구조로 혼합 감각 신경을 이식하는 것을 포함합니다(그림 1). 말초 신경은 우선적으로 표적 화된 재원화를 나타내므로 감각 섬유는 진피 이식편과 운동 섬유, 근육 이식편을 다시 내면화합니다. 이 구성은 따라서 동시에 체감각 피드백36 (그림 2)을제공하면서 모터 신호를 증폭할 수있는 능력을 가지며, 이상적이고 직관적이며 복잡한 보철을 실현할 수 있습니다.
Protocol
Representative Results
Discussion
C-RPNI는 구심성 감각 피드백의 제공과 대상 신경의 모터 원심 신호의 동시 증폭을 제공하는 새로운 구조입니다. 특히, C-RPNI는 운동및 감각 근막이 수술 중 기계적으로 쉽게 분리될 수 없기 때문에 근위 절단수술을 받은 사람들에게 독특한 유용성을 가지고 있습니다. 대신, C-RPNI는 신경 자체의 고유우자 적 재심 특성을 활용하여 신경 근육 접합부로 의 관능 적 말단 장기 및 모터 섬유에 감각 섬유 ?…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
저자는 전문적인 기술 지원에 대한 야나 문 에게 감사드립니다. 이 논문에 제시된 연구는 SK에 R21(R21NS104584) 보조금을 통해 지원되었다.
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 |
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