Waiting
Login processing...

Trial ends in Request Full Access Tell Your Colleague About Jove
JoVE Journal Bioengineering
Click here for the English version

Bioengineering

En MR-basert verktøykasse for nevrokirurgisk planlegging i ikke-menneskelige primater

Published: July 17, 2020 doi: 10.3791/61098
Automatic Translation
1,2, 2,3, 1,2, 4, 5, 4, 4, 1,2,3
1Bioengineering Department, University of Washington, 2Washington National Primate Research Center, University of Washington, 3Electrical and Computer Engineering Department, University of Washington, 4Department of Ophthalmology, SUNY Downstate Health Sciences University, 5Radiology Department, University of Washington

Summary

Metoden som er skissert nedenfor tar sikte på å gi en omfattende protokoll for utarbeidelse av ikke-menneskelig primat (NHP) nevrokirurgi ved hjelp av en ny kombinasjon av tredimensjonale (3D) utskriftsmetoder og MR-datautvinning.

Abstract

I dette papiret skisserer vi en metode for kirurgisk forberedelse som muliggjør praktisk planlegging av en rekke nevrokirurgier i NHPs utelukkende ved hjelp av data hentet fra magnetisk resonansavbildning (MR). Denne protokollen gjør det mulig for generering av 3D-trykte anatomisk nøyaktige fysiske modeller av hjernen og skallen, samt en agarose gelmodell av hjernen som modellerer noen av hjernens mekaniske egenskaper. Disse modellene kan ekstraheres fra MR ved hjelp av hjerneutvinningsprogramvare for hjernens modell, og tilpasset kode for modellen av skallen. Forberedelsesprotokollen drar nytte av toppmoderne 3D-utskriftsteknologi for å lage grensesnitthjerne, hodeskaller og former for gelhjernemodeller. Skallen og hjernemodellene kan brukes til å visualisere hjernevev inne i skallen med tilsetning av kraniotomi i den egendefinerte koden, noe som gir bedre forberedelse til operasjoner som direkte involverer hjernen. Anvendelsene av disse metodene er utformet for operasjoner involvert i nevrologisk stimulering og opptak samt injeksjon, men allsidigheten til systemet gjør det mulig for fremtidig utvidelse av protokollen, utvinningsteknikker og modeller til et bredere spekter av operasjoner.

Introduction

Primatforskning har vært et avgjørende skritt i utviklingen av medisinsk forskning fra dyremodeller til menneskelige studier1,2. Dette er spesielt så i studiet av nevrovitenskap og neural engineering som det er en stor fysiologisk og anatomisk avvik mellom gnager hjerner og de av ikke-menneskelige primater (NHP)1,2,3. Med nye genetiske teknologier som kjemogenetikk, optogenetikk og kalsiumavbildning som krever genetisk modifisering av nevroner, har neural engineering forskning som studerer nevrale funksjon i NHP fått spesiell oppmerksomhet som en preklinisk modell for å forståhjernefunksjon 2,4,5,6,7,8,9,10,11,12,13,14,15,16. I de fleste NHP nevrovitenskap eksperimenter, nevrokirurgiske tiltak er nødvendig for implantasjon av ulike enheter som hodestolper, stimulering og opptak kamre, elektrode arrays og optiskevinduer 4,5,6,7,10,11,13,14,15,17,18.

Nåværende NHP laboratorier bruker en rekke metoder som ofte inkluderer ineffektiv praksis, inkludert å sedating dyret for å passe bena på en hodepost og omtrentlig krumningen av skallen rundt kraniotomi området. Andre laboratorier passer hodeposten til skallen i kirurgi eller bruker mer avanserte metoder for å få de nødvendige målingene for implantasjon som å analysere et NHP hjerneatlas og magnetisk resonans (MR) skanner for å prøve å estimere skallekurver2,10,11,16. Nevrokirurgi i NhPs involverer også væskeinjeksjoner, og laboratorier har ofte ingen måte å visualisere den forventede injeksjonsstedet i hjernen2,4,5,13,14 stole utelukkende på stereotoksiske målinger og sammenligning med MR-skanninger. Disse metodene har en grad av uunngåelig usikkerhet fra å ikke kunne teste den fysiske kompatibiliteten til alle de komplekse komponentene i implantatet.

Derfor er det behov for en nøyaktig ikke-invasiv metode for nevrokirurgisk planlegging i NHPs. Her presenterer vi en protokoll og metodikk for fremstilling av implantasjons- og injeksjonsoperasjoner hos disse dyrene. Hele prosessen stammer fra MR-skanninger, hvor hjernen og skallen ekstraheres fra dataene for å lage tredimensjonale (3D) modeller som deretter kan skrives ut 3D. Skallen og hjernemodellene kan kombineres for å forberede seg på kraniotomioperasjoner samt hodestolper med økt nøyaktighetsnivå. Hjernemodellen kan også brukes til å lage en mugg for støping av en anatomisk nøyaktig gelmodell av hjernen. Gel hjernen alene og i kombinasjon med en ekstrahert skallen kan brukes til å forberede seg på en rekke injeksjon operasjoner. Nedenfor vil vi beskrive hvert av trinnene som kreves for MR-basert verktøykasse for nevrokirurgisk forberedelse.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

Alle dyreprosedyrer ble godkjent av University of Washington Institute for Animal Care and Use Committee. To mannlige rhesus macaques (ape H: 14,9 kg og 7 år gammel, ape L: 14,8 kg og 6 år gammel) ble brukt.

1. Bildeanskaffelse

  1. Transporter apen til en 3T MR-skanner og plasser dyret i en MR-kompatibel stereotoksisk ramme (Table of Materials).
  2. Registrer standard T1 (flip angle = 8°, repetisjonstid / ekkotid = 7,5 / 3,69 s, matrisestørrelse = 432 x 432 x 80, oppkjøpsvarighet = 103,7 s, Multicoil (Materialsekker), antall gjennomsnitt = 1, skivetykkelse = 1 mm) anatomiske MR-bilder.
    MERK: For vellykket skalleisolasjon, bruk MR-oppkjøpsparametrene som brukes her for å maksimere separasjonen mellom skallen og hjernen.

2. Hjerneekstraksjon

  1. I MR-bildeprogramvaren for hjerneutvinning velger du Åpne | Åpne Bilde. Last inn T1 Quick Magnetization Prepared Rapid Gradient Echo (MPRAGE)-skanningen som er anskaffet i trinn 1.2, i en MR-bildeprogramvare (Table of Materials).
  2. For å trekke ut hjernen, under Rullegardinmenyen Plugins velger du Pakk ut hjerne (BET). Trekk ut med en intensitetsterskel rundt 0,5− 0,7 og sett terskelgradientverdien til 0. Bruk gjentatte ganger ekstraksjonsfunksjonen ved terskler med lavere intensitet til skanningen bare inneholder kortikal anatomi (figur 1B).
    MERK: Dette er en iterativ prosess fordi programvaren ikke er designet for NHP-hjerner, og ekstraksjon er ikke nøyaktig
  3. Under menyen Interesseområde (ROI) velger du Terskel for å roi og velg alternativet for Krympebryting og 3D for å opprette en punktgrafikk av hjernen. Dette vil konvertere volumet til binære biter fra en gradient, som effektiviserer fremtidige modellgenereringsprosesser. Velg en terskel (vanligvis rundt 600) for å isolere hjernen fra det omkringliggende vevet. Denne terskelen kan bli funnet ved å sveve over den grå materien. Velg OK for å danne punktgrafikken.
  4. Hvis du vil opprette en overflate, velger du Bygg Surface under bildemenyen og skriver inn terskelen som brukes til å trekke ut hjernen i trinn 2.3. Velg deretter OK. Den resulterende overflaten kan brukes som referanse for å justere terskelverdien for å produsere den høyeste kvalitet representasjon av målrettet anatomi (figur 1C).
  5. Velg Lagre eller Lagre som under filfanen, og lagre den utpakkede hjerneavkastningen som en NII- eller NII.gz fil for bruk i å opprette hjernens modell.

3. Hjernemodellering

  1. Velg Last inn | Velg Filer for å legge til og laste den utpakkede hjernen lagret i .nii eller .nii.gz filtype i medisinsk bildebehandling programvare ( Table ofMaterials).
  2. Hold markøren over velkommen til slicer rullegardinmenyen i modulverktøylinjen og gå til alle moduler. Fra denne menyen velger du Redigering-funksjonaliteten. Klikk OK i popup-advarselen.
  3. Velg Terskeleffekt på Redigering-modulmenyen og juster glidebryterne for terskelområdet slik at delen av punktgrafikken som inneholder hjernen, er uthevet i alle tre stykkene. Når du laster inn en punktgrafikk, velger justering av begge glidebryterne til en verdi på 1 hele hjernen. Velg Bruk.
  4. Åpne modellmakermodulen, og velg punktgrafikkfilen som ble generert i trinn 3.3, i rullegardinmenyen for inndatavolumer. Velg Opprett nytt modellhierarki under Modeller. Når du har tilordnet navnet på modellen til hierarkiet, velger du Bruk for å opprette volumet.
  5. Lagre filen i STL-format.
  6. Hvis du vil endre hjernemodellen ytterligere, laster du inn .stl-filen som et grafikkorgan i dataassistert designprogramvare (Table of Materials)
    MERK: Dette kan ta en stund, da de importerte mesh-hjerneflatene ofte er ganske komplekse.
  7. Når filen er importert, klikker du på underbarn i grafikkkroppen i funksjonstreet til venstre på skjermen og undertrykker unødvendige grafiske funksjoner til bare funksjonene som inneholder hjernen, forblir i filen. Lagre den gjenværende filen som en PRT for videre manipulering og som en STL for 3D-utskrift. Lagre den gjenværende filen som en PRT for videre manipulering og som en STL for 3D-utskrift.

4. Hjernestøping

  1. Last den ekstraherte hjernemodellen fra seksjon 3 til datamaskinen hjalp designprogramvare ved å åpne .prt-filen. Velg Konverter til nettingkropp under Funksjoner-delen på sett inn-menyen. Velg den grafiske kroppen i hjernen og konverter den.
  2. Opprette en høyre og venstre form av hele hjernen
    1. Klikk på Skisse-knappen, og velg det øverste planet som skisseplan. Tegn et rektangel som inneholder enten hele høyre eller venstre halvkule av hjernen. Velg ekstruderingssjefen/basefunksjonen mens du er i skissen, og ekstruder et kubikkrektangel for å inneholde den øverste delen av hjernen.
      MERK: Kuben må kanskje ekstruderes i to retninger for å kunne inneholde hele halvkule. Dette er fordi nullpunktet, hvor ekstruderingsplanet ligger, kan falle inne i hjernemodellen. Ekstrudering i begge retninger sikrer at formen vil omfatte hele volumet av interesse.
    2. Under funksjoner-delen i 'sett inn'-menyen velger du Konverter til Mesh-brødtekst. Velg den ekstruderte kuben i Fast kropp-mappen og konverter den. Hvis du vil opprette det negative rommet, trekker du hjernens modell fra den nylig ekstruderte kuben ved hjelp av Kombiner-funksjonen og velger alternativet Trekk fra.
    3. Gjenta trinn 4.2.1 og 4.2.2 for den andre halvkule av hjernen (venstre eller høyre) og lagre de resulterende filene som en .stl for 3D-utskrift og en .prt for videre manipulering.
  3. Opprette en høyre og venstre form av øvre halvdel av hjernen.
    1. Lag en skisse i det øverste planet og tegn et rektangel som inneholder enten hele høyre eller venstre halvkule av hjernen. Velg ekstruderingssjefen/basisfunksjonen mens du er i skissen, og ekstruder med Forskyvning fra fly-funksjonen valgt. Oppveie ekstrudering opp til en avstand der det ikke er overhengende konturer i hjernen anatomi, fange bare den øvre anatomi. Under funksjoner-delen i 'sett inn'-menyen velger du Konverter til Mesh-brødtekst. Velg den ekstruderte kuben i Fast kropp-mappen og konverter den.
    2. Hvis du vil opprette det negative rommet, trekker du hjernens modell fra den nylig ekstruderte kuben ved hjelp av Kombiner-funksjonen og velger alternativet Trekk fra.
    3. Opprett et skisseplan på dorsalsiden av formen, og velg Konverter enheter, og velg deretter skissen fra trinn 4.3.1.
    4. Velg ekstruderingssjefen/basefunksjonen mens du er i skissen, og med det blinde ekstruderingsalternativet valgt, ekstruderer du hele kroppen ca. 5 mm for å omslutte den fratrekkede hjerneanatomien i formen helt.
    5. Gjenta trinn 4.3.1−4.3.4 for den andre halvkule i hjernen (venstre eller høyre) og lagre de resulterende filene som en .stl for 3D-utskrift og en .prt for videre manipulering.
  4. Ved å endre dimensjonene og plasseringen av kuben og følge den samme protokollen (trinn 4.1 og 4.2), lage former som inneholder ulike deler av hjernen.
  5. For 3D-utskrift, bruk ~ 70% infill tetthet og øke tykkelsen på det ytre skallet av utskriften for å minimere lekkasje av støpematerialet. Hvis det er hull eller mangler i utskriften, fyll dem ved hjelp av neglelakk eller et annet bindemiddel.

5. Hodeskalle modellering

  1. Importer QUICK MPRAGE MR fra trinn 1.2 til matrise manipulasjon programvare som en DICOM fil. Dicom-filen kan være i separate 2D-rammer. Hvis dette er tilfellet, kombinerer du alle rammer i en 3D-matrise. Kontroller at hver 2D-ramme av matrisen viser en koronar skive.
  2. Opprett en binær maske ved å terskele 3D-matrisen ved hjelp av en større enn operatør for individuelle pikselverdier. Juster terskelen slik at skallens anatomi fanges opp av masken (se Tilleggskodefil CalibrateMask).
    MERK: Masken inneholder fire forskjellige lag. Fra utsiden og inn vil de bli referert til som "utenfor", "muskulatur", "hodeskalle" og "hjerne". På dette stadiet er "utenfor" og "hodeskalle" 0 i masken, og "muskulatur" og "hjerne" er 1s.
  3. Hvis du vil fjerne "muskulatur"-laget, behandler du hver ramme fra 3D-masken separat ved å yte en 2D-skive fra masken (det vil si 3D_Mask(:,:,1)).
    1. For hver ramme velger du 0 piksler fra hjørnene av rammen i "utenfor" -laget som "frø". Søk deretter i nabo0-tallet til du støter på en 1 piksel. Fortsett å søke til ikke flere 0-ere kan bli funnet. Konverter alle tilkoblede 0-er til 1-ere. Dette gjøres ved hjelp av Matlab-funksjonen "imfill", med innganger og utganger blir [MASK2] = imfill (MASK1, STEDER, TILKOBLING), hvor MASK1 er din opprinnelige maske, og MASK2 er fylt ut maske (se Supplerende koding fil FillExterior).
  4. Noen skallen informasjon vil gå tapt under fjerning. Hvis du vil redusere tap av informasjon, utfører du trinn 5.3 i alle tre dimensjonene av dataene og holder dem atskilt.
    MERK: Nå er både "utenfor" og "muskulatur" 1,00, og vil bli betraktet som "utenfor". Masken inneholder nå tre forskjellige lag, "utenfor", "hodeskalle" og "hjerne". "Utenfor" og "hjerne" er 1's, og "hodeskalle" er 0-tallet.
  5. Inverter verdiene til masken ved hjelp av ~ -operatoren (det vil si MASK2 = ~MASK1). Nå "hodeskalle" er 1 og "utenfor" og "hjerne" er 0-tallet.
  6. 1-tallet som berører hverandre i hver maske kan betraktes som "objekter". Opprett en indeks over alle objekter i hver maske ved hjelp av Matlab-funksjonen "bwconncomp", med inndata og utganger som [CC] = bwconncomp(MASK), der MASK er matrisen for 3D-maske, og CC er et strukturelt objekt som inneholder indeksverdiene for hvert objekt, antall objekter og størrelsen på matrisen. For hver maske fjerner du alle objekter unntatt den største som inneholder flest voxels ved å angi verdiene for de mindre objektene til 0-tallet (se Tilleggskodefil RemoveNoise).
  7. Legge til maskene som er opprettet fra hver passering sammen (se Supplerende kodingsfil MergeMasks).
  8. Skaler hjernen til en konsistent oppløsning.
    1. Sammenlign trinnstørrelsen mellom hver ramme i MR-en fra DICOM-overskriften med dimensjonene for hver piksel.
    2. Hvis disse verdiene er forskjellige, definerer du en skalafaktor for å kompensere for forskjellen i oppløsning mellom trinnstørrelse og pikselstørrelse for hver voxel. Hvis for eksempel hver ramme er 1 mm fra hverandre, og pikseldimensjonen er 0,33 mm x 0,33 mm, blir skalafaktoren 3.
    3. Legg til flere tomme voxels i 3D-masken til maskens laveste oppløsningsdimensjon er større med en faktor definert av skalafaktoren (se Tilleggskodefilen "ScaleMask").
    4. Interpoler nesten verdier i masken til masken fyller det nye rommet.
    5. Eksporter skallen som en STL-fil eller lignende filtype for 3D-utskrift.

6. Kraniotomi skapelse i 3D skallen modell

  1. Ved hjelp av MR-filen fra trinn 5.1, manuelt identifisere den omtrentlige plasseringen av kraniotomi fra anatomiske landemerker som finnes i macaque hjernen atlas (f.eks sentrale sulcus)19.
    1. Vis en enkelt del av 3D-matrisen (ligner på trinn 5.3).
    2. Skann manuelt fremover eller bakover gjennom 3D-matrisen til gjenkjennelige anatomiske landemerker er plassert.
    3. Lagre rammenummeret som z-koordinaten (det vil si 3D_Mask(:,:,z)
    4. Bruk et datavalgverktøy til å lagre x- og y-koordinatene til et enkelt punkt på denne rammen for at kraniotomien skal være sentrert rundt bruk av Matlab-funksjonen "getpts", med innganger og utganger som [x,y] = getpts. "getpts" åpner opp et brukergrensesnitt, klikk på ønsket ramme (se Supplerende koding fil LocateCraniotomy).
  2. Konverter radiusen til den tiltenkte kraniotomien fra mm til voxels ved hjelp av informasjonen i DICOM-hodet.
  3. Ved hjelp av punktet som er angitt i trinn 6.1 som et midtpunkt, angir du alle voxels innenfor radiusen definert i 6,2 til null i masken fra trinn 5.8.4 ved hjelp av tilleggskodefil Craniotomi, der inndataene og utgangene er [craniotomyMask] = Craniotomy (maske, x, y, z, radius, X, Y, Z, oppløsning) der cranitomyMask er en 3D-matrise med en kraniotomi fjernet, masken er den første 3D-matrisen, x, y, z er midtpunktkoordinatene til kraniotomien, radius er radiusen til kraniotomien, X, Y, Z er rutenettvektorer av 3D-matrisen, og oppløsningen er din radius definert i trinn 6.2 (se Tilleggskodingsfil Craniotomy).
  4. Gjenta trinn 6.1−6.3 for hver unike kraniotomi for flere kraniotomier.
  5. Eksporter skallen som en STL-fil eller lignende filtype for 3D-utskrift.

7.3D utskrift

MERK: To typer 3D-skrivere for fysiske prototyper (Table of Materials) brukes. For følgende spesifikasjoner bør alle 3D-skriver- og utskriftsprogramvareinnstillinger være standard med mindre annet er nevnt.

  1. For å skrive ut prototyper og former, bruk en standard PLA-skriver (Table of Materials) og lag G-koden med følgende skriver- og programvareinnstillinger: indre tetthet > 50% (dette er spesielt viktig for formene som de må holde væske), rask honeycomb internt fyllmønster, rettlinjet eksternt fyllmønster, platetemperatur = 50 ° C og ekstrudertemperatur = 230 ° C.
  2. For å skrive ut høyere gjengivelsesmodeller av hjernen og skallen, bruk en industriell skriver til å lage en kombinert utskrift av akrylnitril butadien styren (ABS) for modellen og et oppløselig støttemateriale (Table of Materials). Deretter oppretter du G-koden og med følgende skriverinnstillinger: fyllstil Sparse - Høy tetthet. Alle andre innstillinger settes automatisk til riktig standardinnstilling.
    1. Oppløs modellen i støtte løsemiddel (Table of Materials) for ~ 12 h.
  3. Når du har implementert de riktige skriverinnstillingene, trykker du på Start og ser på det første laget av utskriften for å sikre at basislaget er rent og jevnt.
  4. Etter 3D-utskrift av formene, eventuelle synlige hull med neglelakk (Table of Materials) for å garantere en strammere forsegling.
    MERK: De 3D-trykte hjerne- og hodeskallemodellene kan kombineres ved å sette hjernemodellen inn i den åpne bunnen av skallen. Fjerning av øyets anatomi kan lette plasseringen av hjernemodellen uten å miste viktig informasjon. Når den plasseres inne i skallen, justerer hjernen naturlig til den anatomisk korrekte posisjonen.

8. Fremstilling av agarose

  1. Bland agarpulveret (Table of Materials) og gresshoppebønnegummipulver ( Table ofMaterials) i et 1:4-forhold etter masse.
  2. Kombiner pulverblandingen med 1x fosfatbufret oppløsning (Materialstable ) til en 0,6% konsentrasjonsløsning i en Erlenmeyer kolbe.
    MERK: Konsentrasjoner som brukes av andre laboratorier faller i et område på 0,5%-0,6%20,21.
  3. Sett mikrobølgeovnen til maksimal effekt og plasser kolben som inneholder løsningen i mikrobølgeovnen i 2 min.
  4. Ta hensyn til løsningen. Når løsningen begynner å boble, stopp mikrobølgeovnen og timeren, fjern kolben og virvle kraftig. Sett kolben tilbake i mikrobølgeovnen og gjenopptok mikrobølgeovnen og timeren.
    MERK: Hensikten er å varme opp oppløsningen uten å redusere volumet betydelig på grunn av fordampning under koking.
  5. Gjenta trinn 8.4 til de to minuttene er fullført.
  6. Fjern kolben og hold virvlende for å hindre at løsningen setter i kolben.
  7. Kjør kaldt vann på utsiden av kolben for å kjøle ned løsningen mens du virvler. Avkjøl løsningen til utsiden av kolben er varm å ta på, men tålelig og sikker, for å hindre at løsningen deformerer plastformen i de følgende trinnene.
  8. Virvle kolben mens du transporterer løsningen til formen for å unngå for tidlig herding.

9. Agarose støping

MERK: Agarose molding prosessen skissert nedenfor er den samme for hele halvkule og øvre halvkule former

  1. Hell agaroseløsningen i en av hjerneformene til den er full. Fortsett å virvle gjenværende løsning i kolben.
  2. Overvåk løsningsnivået i formen for lekkasjer. Påfyll formen etter behov siden innstillingen agarose vil forsegle eventuelle lekkasjer i formen.
  3. La løsningen i formen sitte ugjennomtrengelig ved romtemperatur til løsningen har satt og herdet til et fast stoff.
    MERK: Selv om ventetiden kan variere avhengig av volumet på løsningen og andre faktorer, er 2 timer funnet å være en pålitelig ventetid.
  4. Bruk en slikkepott til å forsiktig fjerne gelmodellen fra formen. Vær strategisk med plasseringen av slikkepott innsetting i formen for å forhindre potensielle deformasjoner til overflaten av formen.
  5. For å bremse den naturlige fordampningsprosessen og eksponering for biologiske midler, legg gelmodellen i en forseglet beholder i kjøleskap.

10. Injeksjon i agarose gel modell

  1. Forbered pumpen til infusjon og fest den i en stereotoksisk arm på en stereotoksisk ramme (Materialtabell). Plasser pumpen til riktig injeksjonsbane og plassering som er normalt til overflaten av gelmodellen fra avsnitt 9.
  2. Fyll en 250 μL sprøyte (Table of Materials) med DI vann. Monter sprøyten på pumpen (Materialsekk).
    MERK: Før du tegner fargestoff, bør DI vann fylle injeksjonskanylen (Materialseksjon) helt. På den måten når fargestoffet er trukket opp gjennom kanylen er det ingen kompresjon eller utvidelse av luft av stempelet som kan påvirke injeksjonsvolumet.
  3. Bruk pumpedriveren (Materials table) til å trekke matfareren (Materialseksjon) inn i sprøyten til målvolumet for injeksjon. Injiser maten som farges sakte til en liten perle dannes på spissen av kanylen for å forhindre at luftbobler injiseres i gelen. Tørk perlen av spissen av kanylen.
  4. Plasser gelmodellen under kanylen. Senk kanylen til spissen berører overflaten av gelmodellen. Legg merke til målingene på den stereotoksiske armen.
  5. Senk kanylen inn i gelmodellen raskt og jevnt til målinjeksjonsdybden og sørg for at overflaten av gelen har forseglet rundt kanylen.
  6. Kjør pumpen og følg spredningen av matfaringen til målvolumet injiseres. Start med en strømning på 1 μL/min og øk til 5 μL/min med 1 μL/min trinn hvert minutt. Spredningen av matfargingen i gelen er en tilnærming til spredningen av en viral vektor i hjernen.
  7. Fjern kanylen fra gelen raskt og jevnt.
  8. Ta bilder av spredningen av matfaringen med en fotografisk enhet (Materialseksjon) og mål dimensjonene av embolien fysisk for å beregne ellipsoidvolumet på injeksjonen. Denne tilnærmingen er mulig på grunn av gelens gjennomsiktige natur.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

Manipulering og analyse av MRI som et preoperativt kraniotomi planleggingstiltak har blitt brukt med hell i desiste 2,5,10,16. Denne prosessen har imidlertid blitt sterkt forbedret ved tillegg av 3D-modellering av hjernen, skallen og kraniotomi. Vi var i stand til å skape en anatomisk nøyaktig fysisk modell av hjernen som reflekterte interesseområdet for våre studier (figur 1). Vi var på samme måte i stand til å lage en anatomisk nøyaktig fysisk modell av primat skallen hentet fra MR-bildene (Figur 2).

De to fysiske modellene av skallen og hjernen kombinert med en tett interferens passform, validere nøyaktigheten av de to modellene i forhold til hverandre og legitimere de ekstrapolerte MR-analysedata (Figur 3A, B). Med den kombinerte modellen var vi i stand til å sette inn en kraniotomi i skallen før utskrift og visualisere den forventede anatomien i kraniotomien (figur 3). Nøyaktigheten av den forventede anatomien i kraniotomien ble validert gjennom en sammenligning av den fysiske modellen og den forventede kraniotomien fra MR-analyse (figur 3B). I tillegg var vi i stand til å kombinere alle delene av vårt eksempel grensesnitt og evaluere geometrien til de ulike komponentene i forhold til skallen og hjernen (Figur 3C, D).

For å teste skallen modell, en fysisk modell av skallen av Monkey L ble ekstrahert ved hjelp av metodene skissert ovenfor og 3D trykt for å planlegge for et hode post implantasjon kirurgi. Føttene på hodeposten ble deretter manipulert og montert på krumningen av skallen på plasseringen av implantasjonen (figur 3E). Som et resultat av den preoperative monteringen av hodeposten ble operasjonstiden redusert fra ca. 2,5 timer til 1 time (216% raskere) fra åpning til implantasjon, noe som reduserer risikoen for operative komplikasjoner22.

Ved å manipulere 3D-modellen av hjernen i SolidWorks, var vi i stand til å lage en form som nøyaktig reflekterte anatomien til både den trykte hjernen og hjernemodellen hentet fra MR (figur 4A-C). Denne formen ble brukt til å kaste en agarose blanding modell av hjernen (Figur 4D, E). Ved hjelp av disse formene i hjernen, var vi i stand til å injisere i forskjellige områder av hjernen og estimere volumet av infusjonen av en injeksjonsprosedyre modellert med et gult fargestoff (Table of Materials). Den halv-halvkule gel modell av hjernen ble vellykket brukt til å fange en klar visning av spredningen av fargestoffet i en modell virus injeksjon, slik at vi kan måle et omtrentlig volum av fargestoffet over tid som det ble injisert (Figur 5A). Injeksjon av fargestoff i hjernemodellen ble kombinert med en 3D trykt hodeskalle for å modellere viral vektor injeksjon kirurgi (Figur 5B, C). Dette ble kombinert med en elektrokortografi array plassering på toppen av injeksjonen for å veilede implantasjonen i forberedelse tilkirurgi 7,10.

Figure 1
Figur 1: Modeller av utvunnet hjerne.
(A)Lagdelt serie av T1-QuickMPRAGE koronale skiver av hjernen til Monkey H. (B) Lagdelt serie av MR skiver av utvunnet hjernen til Monkey H ved hjelp av BET plugin og Mango programvare som beskrevet i Metoder delen. (C) Aksial, sagittal, og skjev visning av en modell av den grå saken av Monkey H opprettet ved hjelp av overflaten bygningen funksjonalitet i Mango. (D) Aksial, sagittal og skjev visning av en 3D-trykt modell av den grå materie av Monkey H opprettet ved hjelp av en Dremel 3D45 ekstrudering skriver. Vennligst klikk her for å se en større versjon av denne figuren.

Figure 2
Figur 2: Skallen ekstraksjon.
(A) Lagdelt serie av T1-QuickMPRAGE koronale skiver av hjernen til Monkey H. (B) Lagdelt serie av binær maske etter enkel terskeling MR skiver. (C) Lagdelt serie av binær maske etter å ha fjernet "muskulaturlag". (D) Lagdelt serie av binær maske av skallen etter behandling som beskrevet i Metoder delen. (E) 3D-modell generert fra binær maske. (F) 3D-modell med simulert kraniotomi fjernet. Vennligst klikk her for å se en større versjon av denne figuren.

Figure 3
Figur 3: Kirurgisk preparat ved hjelp av 3D-trykte prototyper.
(A)Kombinasjon av 3D trykt hjerne ekstrahert med Mango innsiden av en 3D trykt hodeskalle hentet fra MR av Monkey L som beskrevet i Metoder delen. (B)Sammenligning av kraniotomi målretting mellom våre 3D-modeller og MR planlegging i Monkey L. (C, D) Et eksempel på å bruke vår verktøykasse for å forberede kammer (C) og array(D) implantasjon15. (E) 3D trykt modell av skallen av Monkey L brukes for pre-bøying hodet-post før operasjonen. Vennligst klikk her for å se en større versjon av denne figuren.

Figure 4
Figur 4: Gel hjernemodellering.
(A, B) 3D-modell av formen for Monkey H. (C) 3D trykte former fra A og B. Bildet til venstre er en mold som brukes til å lage den øvre delen av høyre halvkule. Avbildet til høyre er en mold for å skape høyre halvkule (D) Agarose modeller av den øvre delen av høyre halvkule (venstre) og hele høyre halvkule (høyre). (E) Agarose modell av høyre halvkule plassert inne i en 3D-utskrift av en ekstrahert hodeskalle fra Monkey L, viser nøyaktig representasjon av hjernen og kraniotomi. Vennligst klikk her for å se en større versjon av denne figuren.

Figure 5
Figur 5: Injeksjonsmodellering.
(A)Tid forfalle bilder av injeksjonsprosedyren. Forhåndsinnsetting øverst til venstre. Øverst til høyre panel etter innsetting. Nedre fire paneler viser spredningen av fargestoffet over tid. (B) Gel modell av en del av hjernen plassert i en 3D trykt hodeskalle med kraniotomi slik at injeksjoner av matfaring kan observeres i forhold til kortikale strukturer og elektrode plassering. (C) 3D-utskrift av et kammer som passer til skallen og observeres i forhold til elektrodematrisen, gelmodellen og injeksjonen. Vennligst klikk her for å se en større versjon av denne figuren.

Supplerende kodefiler. Vennligst klikk her for å laste ned disse filene.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

Denne artikkelen beskriver en verktøykasse for forberedelse for nevrokirurgi i NhPs ved hjelp av fysiske og CAD modeller av skallen og hjernen anatomi hentet fra MR-skanninger.

Mens de ekstraherte og 3D-trykte skallen og hjernemodellene ble designet spesielt for fremstilling av kraniotomioperasjoner og hodepostimplantasjoner, gir metodikken seg til flere andre applikasjoner. Som beskrevet før, gjør den fysiske modellen av skallen for pre-bøying av hodeposten før operasjonen, noe som skaper en god passform med skallen. Videre kan den ekstraherte skallen fra MR brukes til å generere en 3D-designet hodepost med en høyere troskap til skallens anatomi. Mens CT-avbildning tradisjonelt er en bedre modalitet for skallen ekstraksjon, i den foreslåtte metoden, hjernen og skallen anatomi kommer fra samme bildemodalitet, noe som kan bidra til forbedret anatomisk konsistens mellom bein og bløtvev modeller. Denne anatomiske konsistensen kan forbedre presisjonen og sikre at kraniotomien vil dekke den kortikale regionen av interesse, og at alle implantasjonskomponentene, som stimulerings- og opptakskamre, passer til skallen krumning. Dette støttes av eksisterende studier som kvantitativt sammenlignet MR-ekstrahert skalletopografi med ekstraksjoner fra andre skannetyper23,24. Annet arbeid i feltet har skissert metoder for etablering av modeller og 3D-trykte prototyper for hodepostimplantasjon25,26, men de bruker ikke utelukkende MR-skanninger for å lage en tilpasningsdyktig modell for forberedelse til både hodepostering og kraniotomi. Det er viktig å merke seg at MR-oppkjøpsparametrene som brukes her er kritiske i vellykket skalleutvinning som beskrevet i protokollen. Tidligere arbeid innen hjerneutvinning og hodeskalle stripping tilbyr alternativer til allment tilgjengelig BET hjerneutvinning som brukes i denne protokollen27. Tilsvarende, skallen utvinning tilpassede skript eksisterer, men de krever manuell fjerning av ikke-skallen voxels sammenlignet med en helt automatisertprotokoll 28. Mens her viser vi bare noen få eksempler, disse verktøyene gjelder for en rekke andre operasjoner som elektrode og kammer implantasjoner i NHPs2,4,5,7,10,15,18,29,30, samt andre dyremodeller31,32.

Når kombinert med agarose blanding hjernemodeller, kirurgisk forberedelse verktøykassen kan brukes til å forberede kirurgiske prosedyrer som involverer væske injeksjoner som optogenetikk og chemogenetics2,4,5,10,33,34. Selv om vi her hadde suksess med å bruke PLA til 3D-utskrift av formene, kan denne prosessen forbedres ytterligere ved hjelp av en ABS-filament, som har en høyere glassovergangstemperatur som vil gjøre støpeprosessen mer effektiv. Tidligere arbeid har foreslått agarose gel som et kunstig materiale som kan etterligne noen av de mekaniske egenskapene til hjernen som er relevante forvæskeinfusjon 20,21. Imidlertid har tidligere arbeid ikke kombinert agarose med en hjernerealistisk form for å gi et kirurgisk forberedelsesverktøy. Den støpte agarose blandingen gel hjerner kan brukes til å gi kvalitativ kortikal kontekst til injeksjonsstedet og visualisere volumet og plasseringen av væskediffusjon. Gelhjernene kan også brukes til å praktisere injeksjonsbevegelsen og plasseringen i den stereotoksiske rammen. Dette kan brukes ikke bare på optogenetikk, men oversettes til andre eksperimenter som krever injeksjon i hjernen2,4,34. Modellen kan også brukes til å forbedre dagens CED standard praksis ved å optimalisere injeksjonshastighet og kanyletykkelse. Denne modellen kan også styrkes ved kvantitativ validering av agarose gel blandingen for å nøyaktig representere diffus og konvektiv flyt i hjernen5,10. I fremtidig innsats kan vi også innlemme vaskulaturinformasjon i våre 3D-modeller ved å inkludere kontrastforbedret bildebehandling til vår bildebehandlingsprosedyre som kan gi kritisk informasjon om injeksjonsplanlegging.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

Forfatterne har ingen interessekonflikter å avsløre på dette tidspunktet.

Acknowledgments

Dette prosjektet ble støttet av Eunice Kennedy Shiver National Institute of Child Health & Human Development av National Institutes of Health under Award Number K12HD073945, Washington National Primate Research Center (WaNPCR, P51 OD010425), Center for Neurotechnology (CNT, et National Science Foundation Engineering Research Center under Grant EEC-1028725) og University of Washington Royalty Research Funds. Finansiering til Macknik og Martinez-Conde laboratorier for dette prosjektet kom fra en BRAIN Initiative NSF-NCS Award 1734887, samt NSF Awards 1523614 & 1829474, og SUNY Empire Innovator Stipender til hver professor. Vi takker Karam Khateeb for hans hjelp med agarose forberedelse, og Toni J Huan for teknisk hjelp.

Materials

Name Company Catalog Number Comments
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 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

DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

  1. Phillips, K. A., et al. Why primate models matter. American Journal of Primatology. 76 (9), 801-827 (2014).
  2. Macknik, S. L., et al. Advanced Circuit and Cellular Imaging Methods in Nonhuman Primates. Journal of Neuroscience. 39 (42), 8267-8274 (2019).
  3. 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).
  4. 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).
  5. 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).
  6. Yazdan-Shahmorad, A., Silversmith, D. B., Kharazia, V., Sabes, P. N. Targeted cortical reorganization using optogenetics in nonhuman primates. Elife. 7, (2018).
  7. Ledochowitsch, P., et al. Strategies for optical control and simultaneous electrical readout of extended cortical circuits. Journal of Neuroscience Methods. 256, 220-231 (2015).
  8. 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).
  9. 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).
  10. Yazdan-Shahmorad, A., et al. A Large-Scale Interface for Optogenetic Stimulation and Recording in Nonhuman Primates. Neuron. 89 (5), 927-939 (2016).
  11. Yazdan-Shahmorad, A., et al. Demonstration of a setup for chronic optogenetic stimulation and recording across cortical areas in nonhuman primates. SPIE BiOS. , (2015).
  12. Han, X. Optogenetics in the nonhuman primate. Progress in Brain Research. 196, 215-233 (2012).
  13. 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).
  14. May, T., et al. Detection of optogenetic stimulation in somatosensory cortex by nonhuman primates--towards artificial tactile sensation. PLoS One. 9 (12), 114529 (2014).
  15. 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).
  16. 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).
  17. Lucas, T. H., Fetz, E. E. Myo-cortical crossed feedback reorganizes primate motor cortex output. Journal of Neuroscience. 33 (12), 5261-5274 (2013).
  18. Jackson, A., Mavoori, J., Fetz, E. E. Long-term motor cortex plasticity induced by an electronic neural implant. Nature. 444 (7115), 56-60 (2006).
  19. Paxinos, G., Huang, X. F., Petrides, M., Toga, A. W. The Rhesus Monkey Brain in Stereotaxic Coordinates. 2nd Edition. , Elsevier Science. (2008).
  20. 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).
  21. Chen, Z. J., et al. A realistic brain tissue phantom for intraparenchymal infusion studies. Journal of Neurosurgery. 101 (2), 314-322 (2004).
  22. 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).
  23. Michikawa, T., et al. Automatic extraction of endocranial surfaces from CT images of crania. PLoS One. 12 (4), 0168516 (2017).
  24. 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).
  25. Blonde, J. D., et al. Customizable cap implants for neurophysiological experimentation. Journal of Neuroscience Methods. 304, 103-117 (2018).
  26. 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).
  27. 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).
  28. Ortiz-Rios, M., et al. Improved methods for MRI-compatible implants in nonhuman primates. Journal of Neuroscience Methods. 308, 377-389 (2018).
  29. 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).
  30. 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).
  31. Sedaghat-Nejad, E., et al. Behavioral training of marmosets and electrophysiological recording from the cerebellum. Journal of Neurophysiology. 122 (4), 1502-1517 (2019).
  32. Schweizer-Gorgas, D., et al. Magnetic resonance imaging features of canine gliomatosis cerebri. Veterinary Radiology & Ultrasound. 59 (2), 180-187 (2018).
  33. Galvan, A., et al. Nonhuman Primate Optogenetics: Recent Advances and Future Directions. Journal of Neuroscience. 37 (45), 10894-10903 (2017).
  34. 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).

Tags

Denne måneden i JoVE utgave 161 ikke-menneskelige primater magnetisk resonansavbildning nevrokirurgisk planlegging 3D-utskrift viral vektorlevering optogenetikk
En MR-basert verktøykasse for nevrokirurgisk planlegging i ikke-menneskelige primater
Play Video
PDF DOI DOWNLOAD MATERIALS LIST

Cite this Article

Ojemann, W. K. S., Griggs, D. J.,… More

Ojemann, W. K. S., Griggs, D. J., Ip, Z., Caballero, O., Jahanian, H., Martinez-Conde, S., Macknik, S., Yazdan-Shahmorad, A. A MRI-Based Toolbox for Neurosurgical Planning in Nonhuman Primates. J. Vis. Exp. (161), e61098, doi:10.3791/61098 (2020).

Less
Copy Citation Download Citation Reprints and Permissions
View Video

Get cutting-edge science videos from JoVE sent straight to your inbox every month.

Waiting X
Simple Hit Counter