زرع الأجهزة الإلكترونية الضوئية في الحبل الشوكي للقوارض

Summary

يفصل هذا البروتوكول إجراء جراحيا لإجراء جراحة الحبل الشوكي ولزرع وتأمين ساق بصرية فوق الحبل الشوكي في القوارض.

Abstract

يمكن أن يوفر التعديل العصبي تطبيقات تشخيصية وتعديلية وعلاجية. في حين تم إجراء عمل مكثف في الدماغ ، لا يزال تعديل الحبل الشوكي غير مستكشف نسبيا. يفرض نسيج الحبل الشوكي الرقيق والمتحرك بطبيعته قيودا تجعل الزرع الدقيق للمجسات العصبية أمرا صعبا. على الرغم من التطورات الحديثة في أجهزة التعديل العصبي ، وخاصة الإلكترونيات الحيوية المرنة ، فإن فرص توسيع استخدامها في الحبل الشوكي كانت محدودة بسبب التعقيدات الجراحية لزرع الجهاز. هنا ، نقدم سلسلة من البروتوكولات الجراحية المصممة خصيصا لزرع جهاز إلكتروني بصري مصنوع خصيصا يتفاعل مع الحبل الشوكي في القوارض. يتم تفصيل خطوات وضع وتثبيت ساق بصرية على جزء معين من الحبل الشوكي عبر طريقتين مختلفتين للزرع الجراحي هنا. تم تحسين هذه الطرق لمجموعة متنوعة من الأجهزة والتطبيقات ، والتي قد تتطلب أو لا تتطلب اتصالا مباشرا بالحبل الشوكي للتحفيز البصري. لتوضيح المنهجية ، تتم الإشارة إلى تشريح العمود الفقري أولا لتحديد المعالم البارزة قبل إجراء شق الجلد. يتم توضيح الخطوات الجراحية لتأمين ساق بصرية فوق العمود الفقري العنقي في القوارض. ثم يتم تحديد الإجراءات لتأمين الجهاز الإلكتروني البصري المتصل بالساق البصرية في مساحة تحت الجلد بعيدا عن الحبل الشوكي ، مما يقلل من الاتصال المباشر غير الضروري. تشير الدراسات السلوكية التي تقارن التي تتلقى الغرسات بتلك التي تخضع لجراحات وهمية إلى أن السيقان البصرية لم تؤثر سلبا على وظيفة الأطراف الخلفية أو الأمامية بعد سبعة أيام من الزرع. يوسع العمل الحالي مجموعة أدوات التعديل العصبي لاستخدامها في الدراسات المستقبلية التي تهدف إلى التحقيق في تدخلات الحبل الشوكي المختلفة.

Introduction

يسهل الحبل الشوكي مجموعة من وظائف الجهاز العصبي المركزي الأساسية ، من تنسيق السلوكيات الحركية إلى تنظيم عمليات الاستتباب مثل التنفس ^1,2. يتطلب توضيح دور الشبكة المتطورة من الدوائر عبر الحبل الشوكي واجهات ، سواء للتحفيز الكهربائي أو التسجيل أو توصيل الدواء أو التحفيز البصري للمناطق المستهدفة^3،4،5،6. على الرغم من تطوير الأجهزة لتمكين مثل هذه الاستجوابات^{7،8،9،10،11} ، إلا أن التقنيات الجراحية المتخصصة مطلوبة لزرعها المزمن في الحبل الشوكي⁴. على وجه الخصوص ، زاد الحبل الشوكي والفقرات المرتبطة به من التعرض للتشوهات الميكانيكية الناجمة عن الحركات الطبيعية مثل التمديد والانحناء^8،12،13. هذه الخصائص الفريدة للحبل الشوكي تجعل من الصعب جوهريا ضمان بقاء المجسات المزروعة مستقرة ووظيفية ومؤمنة في جزء معين على مدى فترات طويلة من الزمن.

هنا ، يتم وصف بروتوكول جراحي لإدخال وتأمين ساق بصرية في جزء مستهدف من الحبل الشوكي (الشكل 1 أ). نظرا لأنه ثبت أن التواصل مع منطقة عنق الرحم على وجه الخصوص يقدم تحديات فريدة⁹ ، يتم عرض خطوات الزرع على وجه التحديد على منطقة عنق الرحم C5. من المفترض أن تعقيد العمود الفقري العنقي ينشأ من وضعه الأعمق ووفرة العضلات ، وهي خاصية ليست بارزة على طول بقية الحبل الشوكي. بغض النظر ، تم تصميم الإجراءات الموضحة في هذا البروتوكول لتكون قابلة للتكيف مع العمليات الجراحية عبر مناطق الحبل الشوكي المختلفة. يتم توفير تعليمات تدريجية لتحديد موقع أجزاء الحبل الشوكي وتحديدها باستخدام "معالم" تشريحية واضحة يمكن التعرف عليها من فوق الجلد (الشكل 1 ب). ثم يوضح البروتوكول تقنيتين للزرع الجراحي: واحدة مصممة للتحقيقات التي تتطلب اتصالا مباشرا بالحبل الشوكي ، والأخرى للتحقيقات التي قد لا تتطلب اتصالا مباشرا. تم تصميم الخطوات الموصوفة ليتم استنساخها من قبل أي باحث لديه تدريب في جراحة بقاء القوارض.

يشمل هذا البروتوكول تعليمات خطوة بخطوة لزرع جهاز إلكتروني بصري (18 مم × 13 مم) مع ساق بصرية مرنة متصلة على مستوى عنق الرحم C5. يتم تأمين الجهاز القابل للزرع تحت الجلد ذيليا إلى C5 ويتكون من مؤشر الصمام الثنائي الباعث للضوء المجهري (μLED) ، والذي يضيء عند حدوث التحفيز البصري للحبل الشوكي ، مما يوفر ردود فعل حية لوظائف الجهاز. تم تقييم تأثير الساق البصرية المزروعة على الوظيفة الحركية الطبيعية على القوارض التي تلقت غرسات وتمت مقارنتها بالقوارض ذات العمليات الجراحية الوهمية. تشير النتائج إلى أن المجسات لا تؤثر سلبا على وظيفة الطرف الخلفي والطرف الأمامي الطبيعي للحيوان بعد سبعة أيام من الزرع.

Protocol

تم إجراء جميع الإجراءات وفقا لإرشادات المجلس الكندي لرعاية وتشرف عليها لجنة رعاية بجامعة كولومبيا البريطانية. تم إيواء إناث جرذان Long-Evans ، التي يتراوح وزنها بين 350-450 جم وتتراوح أعمارها بين 6-8 أشهر ، في إيواء جماعي (21 درجة مئوية ؛ 12 ساعة: 12 ساعة دورة ضوئية) وأعطيت إمكانية الوصول إلى نظام غذائي قياسي للقوارض قبل الجراحة وبعدها. يتم سرد تفاصيل الكواشف والمعدات المستخدمة في هذه الدراسة في جدول المواد.

1. التحضير قبل الجراحة

1. تعقيم جميع الأدوات الجراحية باستخدام الأوتوكلاف.
2. تخدير بالإيزوفلوران (5٪ للحث و 2٪ للصيانة) يتم تسليمه في الأكسجين بمعدل تدفق 1 لتر / دقيقة.
3. نقل من غرفة التعريفي إلى وسادة التدفئة وتوصيل مخروط الأنف isoflurane على الفور. تحقق من أن تحت مستوى جراحي من التخدير عن طريق ضمان فقدان كامل لمنعكس إصبع القدم على كلا الساقين.
4. حلق الجزء الخلفي من الجرذ بدءا من قاعدة الأذنين ، كما هو موضح في الشكل 2 أ.
5. ضع كمية وفيرة من مرهم العين المعقم على العينين وحقن البوبرينورفين (مخفف إلى 0.03 مجم / كجم) و 10 مل من الحلقات المرضعة تحت الجلد (تم تسخينها إلى درجة حرارة الجسم).
6. امسح المنطقة المحلوقة بفرك جراحي مطهر (الكلورهيكسيدين) متبوعا بكحول الأيزوبروبيل بحركة دائرية تبدأ من مركز المنطقة المحلوقة وتوسيع قطر الدائرة. كرر عملية الصابون / الكحول مرتين أخريين.
7. قم بتأمين في إطار مجسم ، ووضع الرأس باستخدام قضبان الأذن المشحمة لتحقيق الاستقرار (الشكل 2 أ).
   ملاحظة: طوال الإجراء بأكمله ، قم بتوفير الدعم الحراري باستمرار ، وتحقق من عمق التخدير عبر منعكس إصبع القدم ، ومراقبة العلامات الحيوية.
8. ضع ستارة جراحية معقمة فوق.

2. التعرض للحبل الشوكي العنقي

1. باستخدام ملقط معقم ، ابدأ بجس قاعدة الجمجمة. يشعر لعملية شائكة بارزة تمتد rostrocaudally بالقرب من قاعدة الجمجمة. هذا هو C2¹⁴ (الشكلان 1B والشكل 2B).
2. انتقل إلى الجس الذيلي إلى C2 للعثور على عملية شائكة حادة ومدببة بشكل ملحوظ ، يمكن تحديدها على أنها T2¹⁵ (الشكلان 1B والشكل 2C).
3. باستخدام مشرط ، قم بإنشاء شق في الجلد ، بدءا من C2 ويمتد ذيليا لحوالي 1.5 سم (الشكل 2 د).
   ملاحظة: قد يختلف حجم الشق بين ذات الأحجام المختلفة. تأكد من تحديد المعالم التشريحية مقدما والمضي قدما وفقا لذلك.
4. قطع بعناية من خلال الطبقة الدهنية تحت الجلد مع مشرط لفضح العضلات الظهرية سليمة.
5. بمجرد انكشاف العضلات الظهرية ، قم بإجراء تشريح حاد عن طريق سحبها بعيدا عن خط الوسط باستخدام ملقطين من Adson (الشكل 2E).
   ملاحظة: من المهم إجراء تشريح حاد (سحب ألياف العضلات بعيدا) بدلا من قطع العضلات لتقليل النزيف. يجب أن يكشف التعرض الكافي للعضلات الظهرية عن عضلة على شكل كرة (الشكل 2G). تغطي هذه العضلة C2 بالكامل وتغطي جزئيا C3.
6. باستخدام الرونجور والملقط المعقم ، ارفع رفرف الجلد الذيلي على الفور إلى المنطقة المقطوعة. استخدم rongeurs لإنشاء جيب صغير تحت الجلد - سيكون هذا هو موقع الجهاز (الشكل 2F).
   ملاحظة: يجب أن يكون الجيب تحت الجلد أكبر من الجهاز نفسه. يوصى بأن يقوم الجراح (الجراحون) بإعادة وضع أنفسهم لمواجهة من الأمام لتحسين التحكم والرؤية عند فتح الجيب تحت الجلد.
7. ضع ضامنا لكشف العمود الفقري (الشكل 2 ج).
8. باستخدام rongeurs ، قم بإزالة أي عضلات أو أنسجة متبقية تغطي الفقرات وابدأ في تحديد أجزاء الحبل الشوكي. الذيلية مباشرة للعضلة على شكل كرة هي C4 ، تليها C5 و C6 (الشكل 2G-I). بمجرد الانتهاء ، شطف المنطقة الجراحية بمحلول ملحي معقم وجفف بشاش معقم.
   ملاحظة: تغلف العضلة على شكل كرة C2 بالكامل وتمتد جزئيا فوق C3. يتم تعيين جزء الحبل الشوكي الذيلي مباشرة ، مع الحد الأدنى من الاتصال ، على أنه C4.
9. إجراء استئصال الصفيحة اعتمادا على الغرض المقصود من المسبار.
   1. بالنسبة للمسبار تحت الصفيحة ، قم بإجراء استئصال الصفيحة الفقرية الجانبي في C5 و C6 ، مما أدى إلى إنشاء فتحة جانبية في الصفيحة لوضع المسبار في المستقبل (الشكل 2H ، الشكل التكميلي 1A).
   2. بالنسبة للمسبار فوق الصفيحة ، قم بإجراء استئصال الصفيحة الفقرية الإنسية ل C5 ، مع التأكد من عدم إزالة الجوانب الجانبية للعملية الشائكة - مجرد تعريض مسار إنسي لوضع المسبار (الشكل 2I ، الشكل التكميلي 1B).
   3. بعد استئصال الصفيحة الفقرية ، شطف المنطقة بمحلول ملحي معقم وجفف بشاش معقم لإزالة أي بقايا عظمية.
      ملاحظة: عند إجراء استئصال الصفيحة الفقرية ، من الأهمية بمكان دفع الرونجور لأعلى ضد العظم وتجنب أي حركات هبوطية لمنع تلف الحبل.

3. وضع فوق الجافية للجهاز

1. امسك الجهاز المعقم بملقط معقم ذو طرف بلاستيكي (الشكل 3 أ) وادفعه داخل الفتحة تحت الجلد التي تم إجراؤها مسبقا في الخطوة 2.9.
   ملاحظة: من الأهمية بمكان تجنب لمس الجهاز بقفازات / أدوات غير معقمة للحفاظ على تعقيم الجهاز. استخدم ملقط معقم مخصص لوضع الجهاز ووضعه تحت الجلد.
2. قم بخياطة الجهاز أو لصقه بطبقة العضلات المجاورة لإبقائه آمنا (الشكل 3 ب).
   ملاحظة: استخدم خيوط غير قابلة للامتصاص في حالة خياطة الجهاز للعضلات. خلاف ذلك ، يكون الجهاز عرضة للحركة بعد امتصاص الخيط في الجسم. في حالة استخدام الغراء ، تأكد من الاستقرار على المدى الطويل والتوافق الحيوي للغراء / المادة اللاصقة. تجنب تثبيت الجهاز بطبقة الدهون / الدهنية تحت الجلد لضمان نقاط تثبيت موثوقة.
   1. خطط لموضع جسم الجهاز قبل متابعة هذه الخطوة. نظرا لأنه سيتم تثبيت الجهاز بشكل دائم ، يمكن أن تنشأ مشكلات في وضع المسبار (الخطوة 3.4) إذا كان الجهاز قريبا جدا أو بعيدا جدا عن المستوى المطلوب في الحبل الشوكي.
3. ضع المبعدة حول الحبل الشوكي وافتح نافذة مناسبة لوضع المسبار على الحبل الشوكي.
4. مواضع التحقيق:
   1. وضع المسبار تحت الصفيحة: أدخل المسبار بعناية باستخدام ملقط بلاستيكي الطرف أسفل الصفيحة (C5 و C6) عن طريق تحريكه عبر القنوات الجانبية المصنوعة في الخطوة 2.9.1 (الشكل 3D).
   2. وضع المسبار على الحبل الشوكي:
      1. اضبط المسبار باستخدام ملقط ذو طرف بلاستيكي لمحاذاة طرف المسبار ووضعه أعلى النافذة الإنسية التي تم إنشاؤها في C5 في الخطوة 2.9.2 (الشكل 3C).
5. في وعاء معقم وصغير ويفضل أن يكون خزفيا ، قم بإعداد الأسمنت عن طريق خلط مغرفة واحدة من مسحوق الأسمنت السني ، و 3 قطرات من الشحوم عالية التقنية ، وقطرة واحدة من المحفز. تخلط مع المسواك المعقمة حتى يتحقق الاتساق اللزج.
   ملاحظة: يوصى بشدة أن يقوم شخص واحد لا يجري الجراحة بإعداد الأسمنت حتى يتمكن الجراح من تثبيت المسبار في مكانه وتجفيف المنطقة المرغوبة مباشرة قبل وضع الأسمنت. هذه الخطوة حساسة للوقت. تأكد من أن الجراح يضع المسبار قبل تحضير الأسمنت. بمجرد تطبيق المحفز ، سوف يثخن الأسمنت كثيرا بحيث لا يرتبط بشكل فعال بالعظم إذا كان هناك تأخير. تدرب على الأسمنت قبل الجراحة لضمان تحقيق الاتساق المناسب قبل وضعه على المسبار / العظم.
6. قم بتجفيف منطقة الأسمنت المقصودة على الفقرات تماما لعمل نقطة ربط موثوقة. ضع 1-2 قطرات من الأسمنت السني على طرف المسبار ، والذي يجب وضعه أعلى المستوى الفقري المقصود ، في هذه الحالة ، C4 (الشكل 3C ، D).
   ملاحظة: من الأهمية بمكان أن تكون الفقرات جافة قدر الإمكان قبل التدعيم. خلاف ذلك ، لن يلتصق الأسمنت ، ولن يتم تأمين المسبار.
7. توقف لمدة 30 ثانية والمس الأسمنت برفق للتحقق من علاجه.
8. إذا لم يتم علاج الأسمنت تماما ، فانتظر 20 ثانية إضافية وأعد وضع الأسمنت الطازج حتى يتم تثبيت المسبار بقوة على العظم.
   ملاحظة: تم ربط الأسمنت بشكل صحيح عندما يصبح صلبا وصلبا عند لمسه.
   تنبيه: قد يؤدي وضع الأسمنت وهو سائل جدا إلى تسربه إلى أنسجة الحبل الشوكي بين الفقرات. في حالة حدوث ذلك ، اترك حوالي 10 ثوان حتى يتكاثف الأسمنت إلى قوام يشبه اللثة قبل استخدام الملقط برفق لإزالة الأسمنت الذي لامس الحبل الشوكي.

4. إجراءات ما بعد الجراحة

1. بمجرد اكتمال الجراحة ، قم بخياطة موقع الشق باستخدام خيوط 5-0 vicryl. قم بإزالة برفق من الجهاز التجسيمي ونقله إلى غرفة استرداد ساخنة. في أول 3-5 أيام بعد الجراحة ، زود بماء ناعم ومبلل وعلاجات وماء هيدروجيل.
2. راقب جيدا مرتين يوميا خلال الأسبوع الأول بعد الجراحة. تطبيق البوبرينورفين وحقن رينغر المرضعة مرتين يوميا لمدة 2 أيام لاحقة، أو أكثر إذا استمرت علامات الألم. استمر في الفحوصات اليومية حتى لا يظهر أي مخاوف صحية سريرية. بعد ذلك ، تحقق من مرة واحدة على الأقل في الأسبوع.
3. (اختياري) حدد محيط الجهاز على الجلد بعد الجراحة وإغلاق الشق للحصول على مؤشر مرئي لموقع الجهاز في الجسم (الشكل 4 أ).
   ملاحظة: هذه الخطوة مفيدة بشكل خاص عندما يتطلب الجهاز وصولا خارجيا ، مثل الأجهزة التي تحتاج إلى تشغيلها لاسلكيا من خلال جهاز إرسال خارجي حيث يكون اقتران الهوائي أمرا بالغ الأهمية ، أو مضخات توصيل الأدوية التي يجب إعادة تعبئتها عبر الجلد^16،17،18.

النتائج

تم زرع جهاز إلكتروني بصري مع مخططه الوظيفي التفصيلي الموضح في الشكل التكميلي 2 في أربعة فئران لونغ إيفانز. يوضح الشكل التكميلي 3 الجهاز الإلكتروني البصري النهائي الجاهز للزرع. تلقت ثلاثة أخرى عمليات جراحية وهمية ، والتي تضمنت استئصال الصفيحة الفقرية الإنسية في C5 دون زرع الجهاز. يتكون الجهاز الإلكتروني البصري من مسبار مرن مع μLED مدمج في الطرف والذي تم تنشيطه بواسطة محرك LED مدمج. يتم التحكم في برنامج تشغيل LED بواسطة متحكم دقيق مع برنامج ثابت قابل للبرمجة. كما أنه يتألف من جسم جهاز تم خياطته إلى طبقة العضلات مباشرة تحت الجلد. يتم ترسيب طبقة من Parylene-C (~ 10 ميكرومتر) على الجهاز بأكمله باستخدام ترسيب البخار الكيميائي (CVD). غطت طبقة ثانية من Polydimethylsiloxane (PDMS) (~ 800 ميكرومتر) جسم الجهاز الإلكتروني البصري (الشكل التكميلي 3) لتشكيل واجهة ناعمة مع الأنسجة. تم تأمين طرف المسبار عند C4 مع تحوم μLED فوق C5. تم استخدام مؤشر μLED على الجهاز (مع ضوءه المرئي من تحت الجلد) والذي تم تشغيله في نفس الوقت مع μLED للساق الضوئية للتحقق المباشر من وظائف الجهاز. تمت مراقبة لمدة 7 أيام بعد الجراحة للتأكد من الموثوقية المستمرة لأدائها بمرور الوقت (الشكل 4 ب).

تم تقييم الوظائف الحركية للحيوانات باستخدام مقياس مارتينيز للتصنيف الحركي مفتوح المجال¹⁹. لتقييم سلوك المجال المفتوح ، أجرى مراقبان مدربان لم يكونا على دراية بمجموعات العلاج الاختبارات قبل العمليات وكذلك في الأيام الثالث والخامس والسابع بعد الجراحة. بعد جمع البيانات ، تم إجراء اختبار Mann-Whitney U لتحديد الاختلافات في كل نقطة زمنية لكل من درجات الطرف الأمامي والخلفي بين مجموعات الزرع والوهم. يشير تحليلنا إلى درجة مماثلة لوظيفة الطرف الأمامي في مجموعات الزرع والوهمية بحلول اليوم السابع (الشكل 5 أ). وبالمثل ، لم تكن هناك فروق ذات دلالة إحصائية بين المجموعات لدرجات الأطراف الخلفية عبر جميع النقاط الزمنية (الشكل 5 ب).

تم إجراء التحقق بعد الوفاة بعد 7 أيام من الزرع للتأكد مما إذا كان المسبار وجسم الجهاز قد ظلا في مكانهما. لم يتم العثور على انفصال مرئي للخياطة أو الجهاز. علاوة على ذلك ، لم يتسبب سحب جسم الجهاز في انفصاله عن الأنسجة (الشكل التكميلي 4 أ). ثم تم الكشف عن العضلات التي تم تشريحها وخياطتها سابقا فوق الحبل الشوكي ، وتم التأكيد على أن المجسات ظلت مثبتة بإحكام فوق الحبل الشوكي (الشكل التكميلي 4 ب). على غرار جسم الجهاز ، تم سحب رأس المسبار للخلف على التوالي مقابل نقطة الأسمنت لتقييم ارتباطه بالمفصل الميكانيكي للمسبار الصفيحة.

الشكل 1: نظرة عامة تخطيطية على زرع الجهاز والمعالم التشريحية. أ: توضيح موضع المسبار على الحبل الشوكي ووضع الجهاز تحت الجلد. (ب) نموذج 3D يشير إلى المعالم المستخدمة لتحديد مستويات الحبل الشوكي. يتم عرض العمليات الشائكة C2 و T2 و T10 كمرجع. تشير الألوان الداكنة إلى المستوى المقابل. يرجى النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.

الشكل 2: كشف الحبل الشوكي وتحضير جيب تحت الجلد. (أ) وضع الانجذاب المجسمة على. (ب) يتم تحديد العملية الشائكة C2 و (ج) العملية الشائكة T2 عن طريق الجس. (د) يتم إجراء شق عبر الجلد والطبقة الدهنية تحت الجلد لكشف العضلات الظهرية عند نقطة الاهتمام على مستوى عنق الرحم. ه: من خلال التشريح الحاد للعضلات الظهرية، تنكشف الفقرات العنقية. (و) يتم إنشاء جيب تحت الجلد لتثبيت الجهاز القابل للزرع الذيلي إلى موقع الشق. (G) يتم وضع مبعدة بعد تشريح مناسب لكشف الفقرات العنقية والعضلة على شكل كرة ، وتغطي C2 بالكامل وتخفي C3 جزئيا. يشير الخط المتقطع إلى العضلة على شكل كرة. بمجرد تعرض الحبل الشوكي العنقي ، يتم إجراء (H) عمليتي استئصال الصفيحة الفقرية الجانبية في C5 و C6 لوضع المسبار تحت الفقرات ، أو (I) يتم إجراء استئصال الصفيحة الفقرية الإنسية في C5 لوضع المسبار فوق الفقرات. تشير العلامات النجمية إلى موقع استئصال الصفيحة الفقرية الجانبي. قضبان المقياس = 3 مم. يرجى النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.

الشكل 3: زرع الجهاز ووضع المسبار. (أ) يوضع الجهاز في الجيب تحت الجلد. (ب) يخيط الجهاز في الجهاز التناسلي. (ج) يثبت المسبار أعلى الصفيحة C5 التي خضعت لاستئصال الصفيحة الفقرية الإنسية. (د) يوضع الجهاز تحت الصفيحة C5 وC6 اللتين خضعتا لاستئصال الصفيحة الفقرية الجانبي. في كل من (C) و (D) ، يتم تثبيت طرف المسبار عند C4 سليم. قضبان المقياس = 3 مم. يرجى النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.

الشكل 4: وضع علامات على الجهاز والتحقق من وظائفه بعد الجراحة. (أ) يمكن تحديد موقع الجهاز اختياريا على الجلد بعد الخياطة لسهولة التعرف عليه بعد الجراحة. (ب) يوضح الشكل بعد الزرع. تم التحقق من صحة وظائف الجهاز من خلال مراقبة مؤشر μLED المرئي تحت الجلد ، مما يؤكد التشغيل الناجح للجهاز (النتوء على الجانب الأيمن من هو المكان الذي يتم فيه زرع جسم الجهاز). يرجى النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.

الشكل 5: درجات مارتينيز السلوكية في المجال المفتوح في مجموعات الوهمية والزرع لأداء الأطراف الأمامية والخلفية بمرور الوقت. توضح المخططات متوسط الدرجات السلوكية ل (A) تقييمات المجال الأمامي و (B) للأطراف الخلفية المفتوحة عبر أربع نقاط زمنية: 0 (خط الأساس) ، 3 أيام ، 5 أيام ، و 7 أيام بعد الزرع (DPI). تمثل أشرطة الخطأ الخطأ القياسي للمتوسط (SEM). يشار إلى الاختلافات ذات الدلالة الدلالة (p < 0.05) بين المجموعتين الوهمية والزرعية بالعلامات النجمية (*) في نقاط زمنية محددة. تشير وسيلة إيضاح الشكل إلى المجموعات الوهمية التي يعرضها الخط المنقط ، بينما تظهر مجموعة الغرسة بالخط المتصل. كان حجم العينة الوهمية n = 3 ، وكانت الغرسة n = 4. تم استخدام اختبار Mann-Whitney U غير المعلمي لتقييم أهمية الاختلافات بين المجموعات في كل نقطة زمنية. يرجى النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.

الشكل التكميلي 1: رسم توضيحي لاستئصال الصفيحة الفقرية. تشير الخطوط المتقطعة إلى المناطق التي يجب استئصالها من أجل (أ) عمليتي استئصال الصفيحة الفقرية الجانبيتين لوضع المسبار تحت الفقرات ، و (ب) استئصال الصفيحة الفقرية الإنسية لوضع المسبار فوق الفقرات. الرجاء الضغط هنا لتنزيل هذا الملف.

الشكل التكميلي 2: رسم تخطيطي للجهاز الإلكتروني البصري. يتم عرض مخطط الكتلة التفصيلي للجهاز. يصور الجزء العلوي الأيسر من خزان LC رنين هوائي استقبال الطاقة اللاسلكي. يتم تصحيح الطاقة المستلمة وتغذيتها في منظم جهد منخفض التسرب (LDO). تقوم وحدة التحكم الدقيقة تلقائيا بتنشيط الجهاز بناء على المعلمات المبرمجة ، ويعمل برنامج تشغيل LED على تشغيل أي μLEDs مضمنة في المسبار. الرجاء الضغط هنا لتنزيل هذا الملف.

الشكل التكميلي 3: جهاز إلكتروني ضوئي. الجهاز الإلكتروني البصري النهائي مع تغليف متوافق حيويا متصل بساق بصرية تتكون من 1 μLED عند الطرف. يصور المستطيل المتقطع موقع μLED. الرجاء الضغط هنا لتنزيل هذا الملف.

الشكل التكميلي 4: التحقق بعد الوفاة من استقرار الجهاز. بعد سبعة أيام من الزرع ، (أ) ظل جسم الجهاز مخيطا إلى الجهاز العضلي في نفس الموضع الذي تم زرعه فيه ، و (ب) ظل المسبار الأسمنتي مثبتا أعلى الصفيحة C4. الرجاء الضغط هنا لتنزيل هذا الملف.

Discussion

غالبا ما يتطلب التعديل العصبي والتدخلات العلاجية للحبل الشوكي وضع مجسات في شرائح دقيقة ومستهدفة^3،4،7،13. نظرا للحركة المتأصلة في الحبل الشوكي ، يجب تأمين المسبار بشكل موثوق لتمكين الدراسات المزمنة. بناء على التطبيق المحدد ، قد يكون من المهم التحكم فيما إذا كان المسبار على اتصال جسدي بالحبل الشوكي ، أو إذا كان من الممكن تقليل الاتصال لتقليل استجابة الأنسجة الالتهابية عندما يكون ذلك ممكنا. لذلك ، يتم وصف الخطوات الجراحية لكل من الطريقتين. يوضح البروتوكول على وجه التحديد كيفية وضع مسبار في الجزء العنقي من الحبل الشوكي في C5. ومع ذلك ، باستخدام المعلم الموصوف ل T2 أو T10 من الحبل الشوكي ، يمكن وضع المسبار بالمثل في مكان دقيق فوق المنطقة الصدرية أو القطنية عن طريق العد التنازلي للفقرات من T2 أو T10 ، على التوالي ، بمجرد تعرضها. علاوة على ذلك ، لتقليل تلف أنسجة الحبل الشوكي ، قمنا بتأمين جسم الجهاز ، والذي غالبا ما يكون أكبر وأكثر صلابة مقارنة بالمسبار المتصل ، في مساحة تحت الجلد بعيدا عن الحبل الشوكي.

هناك بعض النقاط الحرجة لزرع الجهاز المقترن بالمسبار. أولا ، من الأهمية بمكان تحديد موقع جسم الجهاز قبل تدعيم المسبار. يضمن ذلك تحسين المسافة بين طرف المسبار وجسم الجهاز لتقليل التوتر على المسبار وكذلك تجنب وجود طول إضافي للمسبار ، والذي يمكن أن يتسبب ، على سبيل المثال ، في التواء المسبار أو إزاحته. الهدف الأساسي هو التأكد من أن طول المسبار مشابه للمسافة من المساحة تحت الجلد حيث يتم وضع جسم الجهاز إلى منطقة الحبل الشوكي المستهدفة حيث يتم تثبيت المسبار. من خلال إجراء إجراءات الجراحة النهائية التي يتم فيها اختبار أطوال مسبار مختلفة ، يمكن تحديد الحجم الأمثل للجزء المستهدف.

للحفاظ على العقم ، يجب التعامل مع الجهاز بعناية لمنع ملامسة الطبقة الخارجية من الجلد أثناء الإدخال في الجيب تحت الجلد. يمكن أن يؤدي هذا الاتصال إلى تعريض عقم الجهاز للخطر ، مما قد يؤدي إلى الإصابة بعد الجراحة. بالإضافة إلى ذلك ، من المهم تقليل مقدار القوة المطبقة على الجهاز عند حمله بالملقط لمنع إتلاف طلاءه ، والذي عادة ما يكون طبقة رقيقة واقية وعازلة ومعقمة^20,21. قد تؤدي إزالة الطلاء إلى تقليل عمر الجهاز بشكل كبير عن طريق ، على سبيل المثال ، تقصير الدائرة ، والتسبب في صدمة كهربائية للحيوان ، و / أو إثارة استجابة التهابية في الجسم. قد يساعد التعامل مع الجهاز باستخدام ملقط طرف بلاستيكي في تقليل هذه المضاعفات.

عند خياطة الجهاز إلى الأنسجة الرخوة ، من المهم تجنب خياطة الأنسجة الدهنية تحت الجلد. كما لوحظ في التجارب الأولية ، فإن طبقات الدهون ليست نقطة تثبيت موثوقة للخيوط لأنها عرضة للتمزق. بدلا من ذلك ، تم خياطة جسم الجهاز إلى طبقة عضلية مجاورة في الفضاء تحت الجلد باستخدام خيوط غير قابلة للامتصاص لوضع الجهاز بشكل دائم في الجسم. من ناحية أخرى ، عند تأمين المسبار للعمليات الشائكة ، من المهم التأكد من أن الموقع الذي يتم تأمين المسبار فيه جاف قبل وضع الأسمنت. العظم الرطب / المسبار يطيل وقت المعالجة وقد يؤدي إلى الفشل الكامل للعملية.

هناك بعض الاعتبارات الحاسمة المرتبطة بجهاز قابل للزرع تحتاج إلى معالجة بعناية قبل جراحة الزرع. (1) يجب تغليف الأجزاء النشطة كهربائيا من الجهاز بطبقة تخميل عازلة. قد يتسبب أي حرمان في طبقة التخميل في حدوث عطل وظيفي للجهاز. (2) يجب تعقيم الزرع تماما وفقا لبروتوكول المنشأة. (3) يجب تشكيل الوصلة بين الجهاز والمجسات العصبية أو السيقان التحفيزية بشكل آمن. سيمر الاتصال بضغط ميكانيكي قابل للتكرار بسبب حركات المستمرة. (4) يجب أن تكون المجسات العصبية أو السيقان التحفيزية المرفقة بالجهاز مرنة وقابلة للتمدد بدرجة كافية لتجنب الانجذاب في نقاط مختلفة.

يمكن توسيع البروتوكول الموصوف ليشمل أجهزة الزرع في النماذج الحيوانية ذات الأحجام المختلفة. بعد تحديد المعالم التشريحية ، يمكن تخصيص الطرق الجراحية الموصوفة بشكل منهجي لتأمين أي مجسات عصبية أو سيقان تحفيزية في الأجزاء المستهدفة من الحبل الشوكي وزرع وحدات التحكم المرتبطة بها. ومع ذلك ، اعتمادا على التطبيق ، يمكن أن يكون للأجهزة المختلفة أحجام ومواد وسماكات مختلفة عن تلك المزروعة في هذه الورقة ؛ على سبيل المثال ، تتطلب الأجهزة المتصلة بوحدة تحكم خارجية اعتبارات إضافية. بالإضافة إلى ذلك ، تجدر الإشارة إلى أنه في حين أن هذا البروتوكول مصمم للتحفيز البصري الوراثي ، فإن التطبيقات العصبية الأخرى ، مثل توصيل الدواء أو التحفيز / التسجيل الكهربائي ، تتطلب إجراءات جراحية مختلفة قليلا. على وجه التحديد ، تحتاج هذه التطبيقات إلى زرع تحت الجافية لضمان الاتصال المباشر مع الحبل الشوكي تحت الأم الجافية⁷. ومع ذلك ، بالنسبة لعلم البصريات الوراثي ، عادة ما يكون الاتصال الحميم بالأنسجة غير ضروري لأن الأم الجافية للقوارض لا تعيق بشكل كبير تغلغل الضوء ، مما يتيح وضع مصادر الضوء فوق الجافية¹⁰.

Materials

Name	Company	Catalog Number	Comments
Adson Forceps	Fine Science Tools	11027-12
Alm 3 Point Retractor	Fine Science Tools	17010-10
Buprenorphine / Vetergesic	CDMV	124918	Manufacturer provides at 0.3 mg/mL but must be diluted to 0.03 mg/kg for use in rats
Chlorhexidine 2% Solution	Partnar	PCH-020
Curved Long Hemostat Forceps	KaamKaaj Tools	14.5	Curved Long Hemostat Forceps with A Stainless Steel Ratchet Locking Tweezer
CVD Parylene Machine: SCS Labcoter 2	Specialty Coating Systems	PDS 2010
Dental Cement - Catalyst	Parkell, Inc	S371
Dental Cement - Metabond	Parkell, Inc	S398
Dental Cement - Powder	Parkell, Inc	S396
Forceps with Replaceable Plastic Tips	Fine Science Tools	11980-13
Friedman-Pearson Rongeurs	Fine Science Tools	16121-14
Isoflurane USP	Fresenius Kabi	CP0406V2	Provided at 5% for induction and 2% for mainentance through precision vaporizer
Isopropyl Alcohol 70%	McKesson	350600
Lacri-Lube Sterile Eye Ointment	Refresh
Long Evans Rats	Charles River Laboratories	6
Low temperature solder paste	Chip Quik Inc.	11.38
Magnets	Radial Magnets, Inc.	0.53	Magnet Neodymium Iron Boron (NdFeB) N35 (3.00 mm x 1.00 mm)
Olsen-Hegar Needle Holders with Suture Cutters	Fine Science Tools	12002-12
PDMS: SYLGARD 184	Sigma Aldrich	761036
Scalpel Blades - #15	Fine Science Tools	10015-00
Scalpel Handle - #3	Fine Science Tools	10003-12
Solder flux	Chip Quik Inc.	14.25
Stereotaxic Frame	David Kopf Instruments	Model 900
Sterile Kwik-Sil Adhesive	World Precision Instruments	KWIK-SIL-S
UV Flashlight	Vansky	19.99
Wireless Charger	Nilkin	NKT06
Wireless Charging coil	TDK Corporation	WT202012-15F2-ID