En MR-baseret værktøjskasse til neurokirurgisk planlægning hos ikke-menneskelige primater
Summary
Nedenstående metode har til formål at tilvejebringe en omfattende protokol til fremstilling af ikke-menneskelig primat (NHP) neurokirurgi ved hjælp af en ny kombination af tre-dimensionelle (3D) trykningsmetoder og MR-dataudtræk.
Abstract
I dette papir skitserer vi en metode til kirurgisk præparat, der giver mulighed for praktisk planlægning af en række neurokirurgier i NHPs udelukkende ved hjælp af data udvundet fra magnetisk resonans imaging (MR). Denne protokol giver mulighed for generering af 3D-printede anatomisk præcise fysiske modeller af hjernen og kraniet, samt en agarose gel model af hjernen modellering nogle af de mekaniske egenskaber i hjernen. Disse modeller kan udvindes fra MR ved hjælp af hjerneudvinding software til modellen af hjernen, og brugerdefineret kode til modellen af kraniet. Forberedelsesprotokollen udnytter den nyeste 3D-printteknologi til at lave interfacing hjerner, kranier og forme til gelhjernens modeller. Kraniet og hjernen modeller kan bruges til at visualisere hjernevæv inde i kraniet med tilføjelse af en kraniotomi i den brugerdefinerede kode, giver mulighed for bedre forberedelse til operationer direkte involverer hjernen. Anvendelserne af disse metoder er designet til operationer involveret i neurologisk stimulation og registrering samt injektion, men alsidigheden af systemet giver mulighed for fremtidig udvidelse af protokollen, ekstraktion teknikker, og modeller til et bredere anvendelsesområde af operationer.
Introduction
Primatforskning har været et afgørende skridt i udviklingen af medicinsk forskning fra dyremodeller til forsøg medmennesker 1,2. Dette er især tilfældet i studiet af neurovidenskabogneuralteknik, da der er en stor fysiologisk og anatomisk uoverensstemmelse mellem gnaverhjerner og ikke-menneskelige primater (NHP)1,2,3. Med nye genetiske teknologier såsom kemogenetik, optogenetik, og calcium billeddannelse, der kræver genetisk modifikation af neuroner, neurale engineering forskning studerer neurale funktion i NHP’s har fået særlig opmærksomhed som en præklinisk model for forståelse hjernefunktion2,4,5,6,7,8,9,10 ,11,12,13,14,15,16. I de fleste NHP neurovidenskab eksperimenter, neurokirurgiske foranstaltninger er nødvendige for implantation af forskellige enheder såsom hoved stillinger, stimulation og optagelse kamre, elektrode arrays og optiske vinduer4,5,6,7,10,11,13,14,15,17,18.
Nuværende NHP labs bruge en række forskellige metoder, der ofte omfatter ineffektive praksis, herunder sedating dyret til at passe benene på et hoved post og omtrentlige krumning af kraniet omkring kraniotomi site. Andre laboratorier passer hovedet post til kraniet i kirurgi eller anvende mere avancerede metoder til at få de nødvendige målinger for implantation som at analysere en NHP hjerne atlas og magnetisk resonans (MR) scanninger for at forsøge at vurdere kraniet krumninger2,10,11,16. Neurokirurgi i NHPs også involverer væskeindsprøjtninger, og laboratorier har ofte ingen måde at visualisere den forventede injektion placering i hjernen2,4,5,13,14 udelukkende bygger på stereotaxic målinger og sammenligning med MR-scanninger. Disse metoder har en vis uundgåelig usikkerhed fra at være ude af stand til at teste den fysiske kompatibilitet af alle de komplekse komponenter i implantatet.
Derfor er der behov for en nøjagtig noninvasive metode til neurokirurgisk planlægning i NHPs. Her præsenterer vi en protokol og metode til fremstilling af implantation og injektion operationer i disse dyr. Hele processen stammer fra MR-scanninger, hvor hjernen og kraniet udvindes fra dataene for at skabe tredimensionelle (3D) modeller, der derefter kan 3D-printes. Kraniet og hjernen modeller kan kombineres for at forberede sig til kraniotomi operationer samt hoved stillinger med en øget grad af nøjagtighed. Hjernen model kan også bruges til at skabe en støbeform til støbning af en anatomisk præcis gel model af hjernen. Gel hjernen alene og i kombination med en ekstraheret kraniet kan bruges til at forberede en række injektion operationer. Nedenfor vil vi beskrive hver af de trin, der kræves for MR-baserede værktøjskasse til neurokirurgisk præparat.
Protocol
Representative Results
Discussion
Denne artikel beskriver en værktøjskasse til forberedelse til neurokirurgi i NHPs ved hjælp af fysiske og CAD modeller af kraniet og hjernens anatomi udvundet fra MR-scanninger.
Mens de ekstraherede og 3D trykte kraniet og hjernen modeller blev designet specielt til fremstilling af kraniotomi operationer og hoved post implantationer, metoden egner sig til flere andre applikationer. Som beskrevet før, den fysiske model af kraniet giver mulighed for pre-bøjning af hovedet post før operatio…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Dette projekt blev støttet af Eunice Kennedy Shiver National Institute of Child Health & Human Development of the National Institutes of Health under Award Number K12HD073945, Washington National Primate Research Center (WaNPCR, P51 OD010425), Center for Neurotechnology (CNT, en National Science Foundation Engineering Research Center under Grant EEC-1028725) og University of Washington Royalty Research Funds. Finansiering til Macknik og Martinez-Conde labs for dette projekt kom fra en BRAIN Initiative NSF-NCS Award 1734887, samt NSF Awards 1523614 & 1829474, og SUNY Empire Innovator Stipendier til hver professor. Vi takker Karam Khateeb for hans hjælp med agarose forberedelse, og Toni J Huan for teknisk hjælp.
Materials
| 3D Printing Software (GrabCAD Print) | Stratasys | Version 1.36 | Used for High quality 3D printing |
| 3D Printing Software (Simplify 3D) | Simplify3D | Version 4.1 | Used for PLA 3D printing |
| Agarose | Benchmark Scientific | A1700 | Used for making gel brains |
| Black Nail Polish | L.A. Colors | CNP637 | Used for gel molding |
| Cannula (ID 320 um, OD 432 um) | Polymicro Technologies | 1068150627 | Used to inject dye into gel brain |
| Cannula (ID 450 um, OD 666 um) | Polymicro Technologies | 1068150625 | Used to inject dye into gel brain |
| Catheter Connector | B Braun | PCC2000 | Perifix for 20-24 Gage epidural catheters; Units per Cs 50 |
| Dremel 3D Digilab 3D45 printer | Dremel | F0133D45AA | Used for prototyping in PLA |
| ECOWORKS | Stratasys | 300-00104 | Used to dissolve QSR support structures |
| Erlymeyer flask | Pyrex | 4980 | Used for gel molding |
| Ethyl cyanoacrylate | The Original Super Glue Corp. | 15187 | Used to make combined cannula |
| Graduated cylinder | 3023 | Used for gel molding | |
| HATCHBOX PLA 3D Printer Filament | HATCHBOX | 3DPLA-1KG1.75-RED/3DPLA-1KG1.75-BLACK | 1kg Spool, 1.75mm, Red/Black |
| Locust Bean Gum | Modernist Pantry | 1018 | Gumming agent for gel brain mixtures |
| MATLAB | MathWorks | R2019b | Used for skull extraction |
| McCormick Yellow Food Color | McCormick | Used for dye injection | |
| Microwave | Panasonic | NN-SD975S | Used for agarose curing |
| MR Imaging Software (3D Slicer) | 3D Slicer | Version 4.10.2 | Used for 3D model generation |
| MR Imaging Software (Mango with BET plugin) | Reasearch Imaging Institute | Version 4.1 | Used for brain extraction |
| Philips Acheiva MRI System | Philips | 4522 991 19391 | Used to image non-human primates |
| Phosphate Buffered Solution | Gibco | 70011-044 | 10X diluted with DI water to 1X |
| Pump | WPI | UMP3T-1 | Used for dye injection |
| Pump driver | WPI | UMP3T-1 | Used for dye injection |
| Refrigerator | General Electric | Used to preserve agarose gel | |
| Scientific Spatula | VWR | 82027-494 | Used to extract gel molds |
| SolidWorks | Dassault Systemes | 2019 | |
| Stratasys ABS-M30 filament | Stratasys | 333-60304 | Used for high quality 3D printing |
| Stratasys F170 3D printer | Stratasys | 123-10000 | Used for high quality 3D printing |
| Stratasys QSR support | Stratasys | 333-63500 | Used to create supports with ABS model |
| Syringe | SGE | SGE250TLL | Used for dye injection |
References
- Phillips, K. A., et al. Why primate models matter. American Journal of Primatology. 76 (9), 801-827 (2014).
- Macknik, S. L., et al. Advanced Circuit and Cellular Imaging Methods in Nonhuman Primates. Journal of Neuroscience. 39 (42), 8267-8274 (2019).
- Seok, J., et al. Genomic responses in mouse models poorly mimic human inflammatory diseases. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. 110 (9), 3507-3512 (2013).
- Ju, N., Jiang, R., Macknik, S. L., Martinez-Conde, S., Tang, S. Long-term all-optical interrogation of cortical neurons in awake-behaving nonhuman primates. PLoS Biol. 16 (8), 2005839 (2018).
- Yazdan-Shahmorad, A., et al. Widespread optogenetic expression in macaque cortex obtained with MR-guided, convection enhanced delivery (CED) of AAV vector to the thalamus. Journal of Neuroscience Methods. 293, 347-358 (2018).
- Yazdan-Shahmorad, A., Silversmith, D. B., Kharazia, V., Sabes, P. N. Targeted cortical reorganization using optogenetics in nonhuman primates. Elife. 7, (2018).
- Ledochowitsch, P., et al. Strategies for optical control and simultaneous electrical readout of extended cortical circuits. Journal of Neuroscience Methods. 256, 220-231 (2015).
- Yao, Z., Yazdan-Shahmorad, A. A Quantitative Model for Estimating the Scale of Photochemically Induced Ischemic Stroke. Conference proceedings – IEEE Engineering in Medicine and Biology Society. 2018, 2744-2747 (2018).
- Yazdan-Shahmorad, A., Silversmith, D. B., Sabes, P. N. Novel techniques for large-scale manipulations of cortical networks in nonhuman primates. Conference proceedings – IEEE Engineering in Medicine and Biology Society. 2018, 5479-5482 (2018).
- Yazdan-Shahmorad, A., et al. A Large-Scale Interface for Optogenetic Stimulation and Recording in Nonhuman Primates. Neuron. 89 (5), 927-939 (2016).
- Yazdan-Shahmorad, A., et al. Demonstration of a setup for chronic optogenetic stimulation and recording across cortical areas in nonhuman primates. SPIE BiOS. , (2015).
- Han, X. Optogenetics in the nonhuman primate. Progress in Brain Research. 196, 215-233 (2012).
- Acker, L., Pino, E. N., Boyden, E. S., Desimone, R. FEF inactivation with improved optogenetic methods. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. 113 (46), 7297-7306 (2016).
- May, T., et al. Detection of optogenetic stimulation in somatosensory cortex by nonhuman primates–towards artificial tactile sensation. PLoS One. 9 (12), 114529 (2014).
- Griggs, D. J., K, K., Philips, S., Chan, J. W., Ojemann, W. K. S., Yazdan-Shahmorad, A. Optimized large-scale optogenetic interface for nonhuman primates. SPIE BiOS. , (2019).
- Khateeb, K., Griggs, D. J., Sabes, P. N., Yazdan-Shahmorad, A. Convection Enhanced Delivery of Optogenetic Adeno-associated Viral Vector to the Cortex of Rhesus Macaque Under Guidance of Online MRI Images. Journal of Visualized Experiments. (147), (2019).
- Lucas, T. H., Fetz, E. E. Myo-cortical crossed feedback reorganizes primate motor cortex output. Journal of Neuroscience. 33 (12), 5261-5274 (2013).
- Jackson, A., Mavoori, J., Fetz, E. E. Long-term motor cortex plasticity induced by an electronic neural implant. Nature. 444 (7115), 56-60 (2006).
- Paxinos, G., Huang, X. F., Petrides, M., Toga, A. W. . The Rhesus Monkey Brain in Stereotaxic Coordinates. 2nd Edition. , (2008).
- Krauze, M. T., et al. Reflux-free cannula for convection-enhanced high-speed delivery of therapeutic agents. Journal of Neurosurgery. 103 (5), 923-929 (2005).
- Chen, Z. J., et al. A realistic brain tissue phantom for intraparenchymal infusion studies. Journal of Neurosurgery. 101 (2), 314-322 (2004).
- Cheng, H., et al. Prolonged operative duration is associated with complications: a systematic review and meta-analysis. Journal of Surgical Research. 229, 134-144 (2018).
- Michikawa, T., et al. Automatic extraction of endocranial surfaces from CT images of crania. PLoS One. 12 (4), 0168516 (2017).
- Soliman, A. S., et al. A realistic phantom for validating MRI-based synthetic CT images of the human skull. Medical Physics. 44 (9), 4687-4694 (2017).
- Blonde, J. D., et al. Customizable cap implants for neurophysiological experimentation. Journal of Neuroscience Methods. 304, 103-117 (2018).
- Overton, J. A., et al. Improved methods for acrylic-free implants in nonhuman primates for neuroscience research. Journal of Neurophysiology. 118 (6), 3252-3270 (2017).
- Lohmeier, J., Kaneko, T., Hamm, B., Makowski, M. R., Okano, H. atlasBREX: Automated template-derived brain extraction in animal MRI. Scientific Reports. 9 (1), 12219 (2019).
- Ortiz-Rios, M., et al. Improved methods for MRI-compatible implants in nonhuman primates. Journal of Neuroscience Methods. 308, 377-389 (2018).
- Nishimura, Y., Perlmutter, S. I., Eaton, R. W., Fetz, E. E. Spike-timing-dependent plasticity in primate corticospinal connections induced during free behavior. Neuron. 80 (5), 1301-1309 (2013).
- Seeman, S. C., Mogen, B. J., Fetz, E. E., Perlmutter, S. I. Paired Stimulation for Spike-Timing-Dependent Plasticity in Primate Sensorimotor Cortex. Journal of Neuroscience. 37 (7), 1935-1949 (2017).
- Sedaghat-Nejad, E., et al. Behavioral training of marmosets and electrophysiological recording from the cerebellum. Journal of Neurophysiology. 122 (4), 1502-1517 (2019).
- Schweizer-Gorgas, D., et al. Magnetic resonance imaging features of canine gliomatosis cerebri. Veterinary Radiology & Ultrasound. 59 (2), 180-187 (2018).
- Galvan, A., et al. Nonhuman Primate Optogenetics: Recent Advances and Future Directions. Journal of Neuroscience. 37 (45), 10894-10903 (2017).
- Galvan, A., Caiola, M. J., Albaugh, D. L. Advances in optogenetic and chemogenetic methods to study brain circuits in nonhuman primates. Journal of Neural Transmission. 125 (3), 547-563 (2018).
