JoVE Journal > Bioengineering
Summary
Abstract
Introduction
Protocol
Results
Discussion
Disclosures
Acknowledgements
Materials
References
Automatic Translation
Please note that all translations are automatically generated. Click here for the English version.
Bioengineering

صندوق أدوات تصميم الغرسة العصبية للرئيسيات غير البشرية

Published: February 09, 2024
doi:
10.3791/66167
, , , , ,
1Department of Bioengineering, Washington National Primate Research Center,University of Washington, 2Department of Electrical and Computer Engineering, Washington National Primate Research Center,University of Washington, 3Department of Biomedical Engineering,Purdue University

Summary

توضح هذه الورقة العمليات الآلية لتخطيط جراحة الأعصاب غير البشرية للرئيسيات بناء على التصوير بالرنين المغناطيسي (MRI). تستخدم هذه التقنيات خطوات إجرائية في منصات البرمجة والتصميم لدعم تصميم الزرع المخصص ل NHPs. يمكن بعد ذلك تأكيد صحة كل مكون باستخدام نماذج تشريحية ثلاثية الأبعاد (3D) مطبوعة بالحجم الطبيعي.

Abstract

تصف هذه الورقة طريقة داخلية لنمذجة الدماغ والجمجمة 3D من التصوير بالرنين المغناطيسي (MRI) المصممة خصيصا لتخطيط جراحة الأعصاب غير البشرية (NHP). توفر هذه التقنية الآلية القائمة على البرامج الحسابية طريقة فعالة لاستخراج ميزات الدماغ والجمجمة من ملفات التصوير بالرنين المغناطيسي بدلا من تقنيات الاستخراج اليدوي التقليدية باستخدام برامج التصوير. علاوة على ذلك ، يوفر الإجراء طريقة لتصور الدماغ والجمجمة القحفية معا من أجل التخطيط الجراحي الافتراضي البديهي. وهذا يولد انخفاضا كبيرا في الوقت والموارد من تلك التي يتطلبها العمل السابق ، والتي اعتمدت على الطباعة 3D التكرارية. تخلق عملية نمذجة الجمجمة بصمة يتم تصديرها إلى برنامج النمذجة لتصميم غرف الجمجمة وأغطية الرأس المناسبة للزرع الجراحي. تعمل الغرسات الجراحية المخصصة على تقليل الفجوات بين الغرسة والجمجمة التي يمكن أن تسبب مضاعفات ، بما في ذلك العدوى أو انخفاض الاستقرار. من خلال تنفيذ هذه الخطوات قبل الجراحة ، يتم تقليل المضاعفات الجراحية والتجريبية. يمكن تكييف هذه التقنيات للعمليات الجراحية الأخرى ، مما يسهل التخطيط التجريبي الأكثر كفاءة وفعالية للباحثين ، وربما جراحي الأعصاب.

Introduction

الرئيسيات غير البشرية (NHPs) هي نماذج لا تقدر بثمن للبحث الطبي الانتقالي لأنها تشبه البشر تطوريا وسلوكيا. اكتسبت NHPs أهمية خاصة في الدراسات قبل السريرية للهندسة العصبية لأن أدمغتهم هي نماذج ذات صلة كبيرة بالوظيفة العصبية والخلل الوظيفي1,2,3,4,5,6,7,8. من الأفضل تقديم بعض تقنيات تحفيز الدماغ وتسجيله القوية ، مثل علم البصريات الوراثي وتصوير الكالسيوم وغيرها ، من خلال الوصول المباشر إلى الدماغ من خلال نوافذ الجمجمة9,10,11,12,13,14,15,16,17,18,19,20,21,22,23. في NHPs ، غالبا ما يتم تحقيق نوافذ الجمجمة بغرفة وجافية اصطناعية لحماية الدماغ ودعم التجارب طويلة المدى8,10,12,17,18,24,25,26,27. وبالمثل ، غالبا ما تصاحب أعمدة الرأس الغرف لتثبيت ومحاذاة الرأس أثناء التجارب14,15,25,26,28,29,30. تعتمد فعالية هذه المكونات بشكل كبير على مدى ملاءمتها للجمجمة. يعزز الملاءمة الأقرب إلى الجمجمة تكامل العظام وصحة الجمجمة عن طريق تقليل احتمالية الإصابة بالعدوى ونخر العظم وعدم استقرار الزرع31. طرق التصميم التقليدية، مثل ثني عمود الرأس يدويا أثناء الجراحة25,29 وتقدير انحناء الجمجمة عن طريق تركيب دوائر على الشرائح الإكليلية والسهمية لفحوصات الرنين المغناطيسي (MR)9,12 يمكن أن يؤدي إلى مضاعفات بسبب عدم الدقة. حتى أكثرها دقة تخلق فجوات 1-2 مم بين الغرسة والجمجمة ، مما يوفر مساحة لتراكم الأنسجة الحبيبية29. بالإضافة إلى ذلك ، تؤدي هذه الفجوات إلى صعوبة وضع البراغي في الجراحة9، مما يعرض استقرار الغرسة للخطر. تم تطوير غرسات مخصصة مؤخرا لتحسين الاندماج العظمي وطول عمر الغرسة9,29,30,32. رافقت التكاليف الإضافية التقدم في تصميم الغرسات المخصصة بسبب الاعتماد على النماذج الحسابية. تتطلب الطرق الأكثر دقة معدات متطورة مثل أجهزة التصوير المقطعي المحوسب (CT) بالإضافة إلى أجهزة التصوير بالرنين المغناطيسي (MRI)30,32,33 وحتى آلات طحن التحكم العددي بالكمبيوتر (CNC) لتطوير نماذج أولية للزرع25,29,32,34. قد لا يكون الوصول إلى كل من التصوير بالرنين المغناطيسي والتصوير المقطعي المحوسب ، خاصة للاستخدام مع NHPs ، ممكنا للمختبرات التي تحتاج إلى غرسات مخصصة مثل غرف الجمجمة وأعمدة الرأس.

نتيجة لذلك ، هناك حاجة في المجتمع لتقنيات غير مكلفة ودقيقة وغير جراحية لجراحة الأعصاب والتخطيط التجريبي التي تسهل تصميم الغرسات والتحقق من صحتها قبل الاستخدام. تصف هذه الورقة طريقة لتوليد تمثيلات افتراضية للدماغ والجمجمة 3D من بيانات التصوير بالرنين المغناطيسي لتخطيط موقع حج القحف وتصميم غرف الجمجمة المخصصة وأغطية الرأس التي تناسب الجمجمة. يوفر هذا الإجراء المبسط تصميما موحدا يمكن أن يفيد النتائج التجريبية ورفاهية البحث. مطلوب فقط التصوير بالرنين المغناطيسي لهذه النمذجة لأن كل من العظام والأنسجة الرخوة مصورة في التصوير بالرنين المغناطيسي. بدلا من استخدام آلة طحن CNC ، يمكن طباعة النماذج 3D بتكلفة زهيدة ، حتى عند الحاجة إلى تكرارات متعددة. وهذا يسمح أيضا للتصميم النهائي أن تكون 3D المطبوعة في المعادن المتوافقة حيويا مثل التيتانيوم للزرع. بالإضافة إلى ذلك ، وصفنا تصنيع الجافية الاصطناعية ، والتي يتم وضعها داخل غرفة الجمجمة عند الزرع. يمكن التحقق من صحة هذه المكونات قبل الجراحة عن طريق تركيب جميع الأجزاء على نموذج مطبوع بالحجم الطبيعي 3D للجمجمة والدماغ.

Protocol

تمت الموافقة على جميع الإجراءات المتعلقة بالحيوانات من قبل معهد رعاية ولجنة استخدامه في جامعة واشنطن. تم استخدام ما مجموعه أربعة ذكور من المكاك الريسوس البالغة (Macaca mulatta) في هذه الدراسة. في وقت الحصول على التصوير بالرنين المغناطيسي ، كان H يبلغ من العمر 7 سنوات ، وكان L يبلغ من العمر 6 سن?…

Representative Results

تم التحقق من صحة هذه المكونات مسبقا باستخدام مزيج من تصورات التصوير بالرنين المغناطيسي والنماذج التشريحية المطبوعة 3D. من خلال مقارنة تصور حج القحف الآلي بحج القحف المطبوع 3D والتصوير بالرنين المغناطيسي في موقع حج القحف ، من الواضح أن تمثيل حج القحف الافتراضي يعكس بدقة من…

Discussion

تحدد هذه الورقة طريقة مباشرة ودقيقة لتخطيط جراحة الأعصاب التي لا تفيد فقط لتطوير المكونات المستخدمة في زرع نافذة الجمجمة NHP ولكن أيضا قابلة للتحويل إلى مجالات أخرى من أبحاث علم الأعصاب NHP13،15،25. بالمقارنة مع الطرق الحالية الأخرى لتخطيط وت…

Disclosures

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

نود أن نشكر توني هون وكيث فوغل وشون فيشر على مساعدتهم الفنية ودعمهم. تم دعم هذا العمل من قبل مؤسسة ماري جيتس بجامعة واشنطن (RI) ، والمعهد الوطني للصحة NIH 5R01NS116464 (T.B. ، A.Y.) ، NIH R01 NS119395 (D.J.G. ، A.Y) ، مركز واشنطن الوطني لأبحاث الرئيسيات (WaNPRC ، NIH P51 OD010425 ، U42 OD011123) ، مركز التكنولوجيا العصبية (EEC-1028725 ، Z.A. ، D.J.G.) و Weill Neurohub (Z. I.).

Materials

3D Printing Software (Simplify 3D) (Paid) Simplify3D Version 4.1 Used for 3D printing using MakerGear printer
C-Clamp Bessey CM22 Used for artificial dura fabrication, 2-1/2 Inch Capacity, 1-3/8 Inch Throat
Formlabs Form 3+ 3D Printer Formlabs Form 3+ Used for precise 3D printing
MakerGear M2 3D Printer MakerGear M2 revG Used for 3D printing implant prototypes
MATLAB (Paid) MathWorks R2021b Used for brain and skull isolation, virtual craniotomy visualization and skull STL reduction
Phillips Acheiva MRI System Philips 4522 991 19391 Used for non-human primate imaging
Photopolymer Resin Formlabs FLGPGR04 1L, Grey, used for precise 3D prints with Formlabs printer 
PreForm Print Preparation Software Formlabs Version 2.17.0 Used for 3D printing with Formlabs printer 
Printing Filament (PLA) MatterHackers 88331 PLA 1.75 mm White. Used for 3D printing with MakerGear printer
Silicone CAT-1300 Shin-Etsu Used for artificial dura fabrication
Silicone KE1300-T Shin-Etsu Used for artificial dura fabrication
SolidWorks (Paid) Dassault Systems 2020 Used for chamber and headpost design
Syn.Flex-S Multicoil Philips 45221318123 Used for non-human primate imaging
DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

  1. Mitchell, A. S., et al. Continued need for nonhuman primate neuroscience research. Current Biology. 28 (20), R1186-R1187 (2018).
  2. Stanis, N., Khateeb, K., Zhou, J., Wang, R. K., Yazdan-Shahmorad, A. Protocol to study ischemic stroke by photothrombotic lesioning in the cortex of nonhuman primates. STAR Protocols. 4 (3), 102496 (2023).
  3. Tremblay, S., et al. An open resource for nonhuman primate optogenetics. Neuron. 108 (6), 1075-1090 (2020).
  4. Zhou, J., et al. Neuroprotective effects of electrical stimulation following ischemic stroke in nonhuman primates. 2022 44th Annual International Conference of the IEEE Engineering in Medicine & Biology Society (EMBC). 2022, 3085-3088 (2022).
  5. Yao, Z., Yazdan-Shahmorad, A. A quantitative model for estimating the scale of photochemically induced ischemic stroke. 2018 40th Annual International Conference of the IEEE Engineering in Medicine and Biology Society (EMBC). 2018, 2744-2747 (2018).
  6. Yazdan-Shahmorad, A., Silversmith, D. B., Kharazia, V., Sabes, P. N. Targeted cortical reorganization using optogenetics in nonhuman primates. eLife. 7, e31034 (2018).
  7. Macknik, S. L., et al. Advanced circuit and cellular imaging methods in nonhuman primates. The Journal of Neuroscience. 39 (42), 8267-8274 (2019).
  8. Griggs, D. J., Belloir, T., Yazdan-Shahmorad, A. Large-scale neural interfaces for optogenetic actuators and sensors in non-human primates. SPIE BiOS. , (2021).
  9. Yazdan-Shahmorad, A., et al. A Large-scale interface for optogenetic stimulation and recording in nonhuman primates. Neuron. 89 (5), 927-939 (2016).
  10. Ruiz, O., et al. Optogenetics through windows on the brain in the nonhuman primate. Journal of Neurophysiology. 110 (6), 1455-1467 (2013).
  11. Griggs, D. J., Khateeb, K., Philips, S., Chan, J. W., Ojemann, W., Yazdan-Shahmorad, A. Optimized large-scale optogenetic interface for nonhuman primates. SPIE BiOS. , (2019).
  12. Yazdan-Shahmorad, A., Diaz-Botia, C., Hanson, T., Ledochowitsch, P., Maharabiz, M. M., Sabes, P. N. Demonstration of a setup for chronic optogenetic stimulation and recording across cortical areas in non-human primates. SPIE BiOS. , (2015).
  13. Bollimunta, A., et al. Head-mounted microendoscopic calcium imaging in dorsal premotor cortex of behaving rhesus macaque. Cell Reports. 35 (11), 109239 (2021).
  14. Hacking, S. A., et al. Surface roughness enhances the osseointegration of titanium headposts in nonhuman primates. Journal of Neuroscience Methods. 211 (2), 237-244 (2012).
  15. Romero, M. C., Davare, M., Armendariz, M., Janssen, P. Neural effects of transcranial magnetic stimulation at the single-cell level. Nature Communications. 10 (1), 2642 (2019).
  16. Khateeb, K., et al. A versatile toolbox for studying cortical physiology in primates. Cell Reports Methods. 2 (3), 100183 (2022).
  17. Griggs, D. J., Khateeb, K., Zhou, J., Liu, T., Wang, R., Yazdan-Shahmorad, A. Multi-modal artificial dura for simultaneous large-scale optical access and large-scale electrophysiology in nonhuman primate cortex. Journal of Neural Engineering. 18 (5), 055006 (2021).
  18. Belloir, T., et al. Large-scale multimodal surface neural interfaces for primates. iScience. 26 (1), 105866 (2023).
  19. Khateeb, K., et al. A practical method for creating targeted focal ischemic stroke in the cortex of nonhuman primates. 2019 41st Annual International Conference of the IEEE Engineering in Medicine and Biology Society (EMBC). , 3515-3518 (2019).
  20. Griggs, D., Belloir, T., Zhou, J., Yazdan-Shahmorad, A. Convection Enhanced Delivery of Viral Vectors. Vectorology for Optogenetics and Chemogenetics. , (2023).
  21. 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), e59232 (2019).
  22. 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).
  23. Griggs, D. J., et al. Improving the efficacy and accessibility of intracranial viral vector delivery in nonhuman primates. Pharmaceutics. 14 (7), 1435 (2022).
  24. Chen, L. M., Heider, B., Williams, G. V., Healy, F. L., Ramsden, B. M., Roe, A. W. A chamber and artificial dura method for long-term optical imaging in the monkey. Journal of Neuroscience Methods. 113 (1), 41-49 (2002).
  25. Adams, D. L., Economides, J. R., Jocson, C. M., Horton, J. C. A Biocompatible titanium headpost for stabilizing behaving monkeys. Journal of Neurophysiology. 98 (2), 993-1001 (2007).
  26. Bloch, J., Greaves-Tunnell, A., Shea-Brown, E., Harchaoui, Z., Shojaie, A., Yazdan-Shahmorad, A. Network structure mediates functional reorganization induced by optogenetic stimulation of nonhuman primate sensorimotor cortex. iScience. 25 (5), 104285 (2022).
  27. Bloch, J. A., Khateeb, K., Silversmith, D. B., O’Doherty, J. E., Sabes, P. N., Yazdan-Shahmorad, A. Cortical stimulation induces network-wide coherence change in nonhuman primate somatosensory cortex. 2019 41st Annual International Conference of the IEEE Engineering in Medicine and Biology Society (EMBC). , 6446-6449 (2019).
  28. Vnek, N., Ramsden, B. M., Hung, C. P., Goldman-Rakic, P. S., Roe, A. W. Optical imaging of functional domains in the cortex of the awake and behaving monkey. Proceedings of the National Academy of Sciences. 96 (7), 4057-4060 (1999).
  29. Psarou, E., et al. Modular, cement-free, customized headpost and connector-chamber implants for macaques. Journal of Neuroscience Methods. 393, 109899 (2023).
  30. Chen, X., Possel, J. K., Wacongne, C., van Ham, A. F., Klink, P. C., Roelfsema, P. R. 3D printing and modelling of customized implants and surgical guides for nonhuman primates. Journal of Neuroscience Methods. 286, 38-55 (2017).
  31. Prescott, M. J., Poirier, C. The role of MRI in applying the 3Rs to nonhuman primate neuroscience. NeuroImage. 225, 117521 (2021).
  32. Basso, M. A., et al. Using non-invasive neuroimaging to enhance the care, well-being and experimental outcomes of laboratory nonhuman primates (monkeys). NeuroImage. 228, 117667 (2021).
  33. Ahmed, Z., Agha, N., Trunk, A., Berger, M., Gail, A. Universal guide for skull extraction and custom-fitting of implants to continuous and discontinuous skulls. eNeuro. 9 (3), (2022).
  34. Blonde, J. D., et al. Customizable cap implants for neurophysiological experimentation. Journal of Neuroscience Methods. 304, 103-117 (2018).
  35. Ojemann, W. K. S., et al. A MRI-based toolbox for neurosurgical planning in nonhuman primates. Journal of Visualized Experiments. (161), e61098 (2020).
  36. Make STL of 3D array (Optimal for 3D printing). MathWorks Available from: https://www.mathworks.com/matlabcentral/fileexchange/68794-make-stl-of-3d-array-optimal-for-3d-printing (2018)
  37. . stlwrite – Write binary or ascii STL file Available from: https://www.mathworks.com/matlabcentral/fileexchange/36770-stlwrite-write-binary-or-ascii-stl-file (2023)
  38. Michikawa, T., Suzuki, H., Moriguchi, M., Ogihara, N., Kondo, O., Kobayashi, Y. Automatic extraction of endocranial surfaces from CT images of crania. PLoS One. 12 (4), 0168516 (2017).
  39. Overton, J. A., Cooke, D. F., Goldring, A. B., Lucero, S. A., Weatherford, C., Recanzone, G. H. Improved methods for acrylic-free implants in nonhuman primates for neuroscience research. Journal of Neurophysiology. 118 (6), 3252-3270 (2017).
  40. Ortiz-Rios, M., et al. Improved methods for MRI-compatible implants in nonhuman primates. Journal of Neuroscience Methods. 308, 377-389 (2018).

Tags

Neural ImplantBrain ModelingSkull ModelingNonhuman PrimatesNeurosurgical Planning3D Modeling3D PrintingCustom ImplantsCranial ChambersHead PostsMagnetic Resonance ImagingComputational SoftwareSurgical Complications

Play Video
PDF
DOI
DOWNLOAD MATERIALS LIST
Cite This Article
Iritani, R., Belloir, T., Griggs, D. J., Ip, Z., Anderson, Z., Yazdan-Shahmorad, A. A Neural Implant Design Toolbox for Nonhuman Primates. J. Vis. Exp. (204), e66167, doi:10.3791/66167 (2024).
Download Citation
Reprints and Permissions

View Video

✖

To prove you're not a robot, please enter the text in the image below

CAPTCHA Image
Play CAPTCHA Audio
Refresh Image