应用甲醛固定人尸体模型植入皮层微电极阵列的外科训练

摘要

我们设计了一个程序, 其中一个甲醛固定的人的尸体是用来协助外科的训练, 将微电极阵列植入人脑的大脑皮层。

摘要

本议定书描述了一个程序, 以协助外科医生在训练植入微电极阵列到人脑的大脑皮层。最近的技术进步使制造的微电极阵列, 使记录的活动, 多个单独的神经元在大脑皮层的人脑。这些阵列有可能带来独特的洞察力的神经元关联的大脑功能的健康和疾病。此外, 意志神经元活动的识别和解码打开了建立脑机接口的可能性, 从而有助于恢复失去的神经功能。皮层微电极阵列的植入是一种侵入性的手术, 需要超 centimetric 开颅和皮质表面的暴露;因此, 该程序必须由训练有素的神经外科医生执行。为了提供一个外科训练的机会, 我们设计了一个基于人体尸体模型的程序。使用甲醛固定的人类尸体绕过了动物 (特别是非人灵长类) 外科手术的实际、伦理和财政困难, 同时保持头部、头骨、脑膜和脑的宏观结构表面和允许逼真, 操作室式定位和仪表。此外, 人类尸体的使用比任何非人类模型更接近临床的日常实践。尸体模拟的主要缺点是缺乏脑搏动和血液和脑脊液循环。我们建议, 一个甲醛固定的人体模型是一个适当的, 切实可行的和 cost-effective 的方法, 以确保适当的外科训练前植入微电极阵列在活体人类大脑皮层。

引言

近年来, 在活体脑中记录多个单个神经元活动的挑战的技术解决方案的发展^1,2,3。硅基微电极阵列在信号特性方面与传统的线电极相似, 它们可以在脑组织的小片中记录几十到数百个神经元^4,5,6,7. 微电极阵列使科学家们能够在猴子的初级运动皮层和手臂运动之间建立神经活动的对应关系,⁸, 这反过来又为脑机的发展提供了推动力。接口 (BCIs)⁹。

微电极阵列已被用于人类在两种情况下: 作为慢性植入物控制 BCIs 和作为 semi-chronic 植入物, 研究的活动的个别神经元的病人患有癫痫。慢性植入物, 以手的功能表示为目标在主要马达皮层, 允许患者遭受四肢控制机器人胳膊或计算机游标的运动^{10,11,12 ,13}。半慢性植入物, 连同硬膜下脑电图 (ECOG) 电极插入与耐药癫痫患者谁是癫痫手术的候选者¹⁴, 允许单录音之前, 期间和之后癫痫发作,并已开始阐明癫痫发作期间和期间单个神经元的活动^{15,16,17,18,19}。微电极阵列有可能显著提高我们对大脑功能的认识, 通过建立神经元活动之间的联系, 以及人类的感知、运动和思想, 无论是在健康方面还是在疾病, 在其他^20,21。

硅基微电极阵列现已商业化, 其在人类中的使用已被美国的监管当局批准在 semi-chronic 癫痫征兆。然而, 这些设备是侵入性的, 必须插入到大脑中。不适当的插入技术的消极后果, 除了设备的失败记录神经元活动, 包括脑出血和感染, 潜在的长期或永久性的神经功能障碍。尽管目前尚不清楚微电极阵列植入术的并发症率, 但颅内脑电图 (EEG) macroelectrodes 的潜在严重并发症发生率为 1-5%^22,23. 因此, 正确植入微电极阵列需要广泛的神经外科技术和特定的程序训练。

在安全的环境中, 外科医生用微电极阵列来磨练技能的方法包括非人类哺乳动物和人体尸体。理想的训练模式将忠实地再现人类头骨的大小和厚度;硬脑膜的韧性和血管衍生物;人脑的 gyrification 模式、一致性和脉动;循环血和脑脊液的存在;以及主体在手术室 (或) 类似环境中的整体定位。因此, 动物模型需要有足够的规模, 为外科医生提供有意义的经验。大型非人灵长类动物最接近, 但他们的外科训练的使用是不可持续的, 从伦理的角度来看, 因为它们是昂贵的。啮齿目动物不进入考虑由于他们的小大小;即使是猫或兔子, 也意味着从一个或类似的环境中明显地发散。

人类的尸体代表着一个诱人的选择他们的优势包括生命样的大小和头部和大脑的形状和在一个或类似的环境中建立外科训练的可能性。最明显的离开从现实的情况是没有脑脉动和出血, 并修改的方面和一致性的身体组织, 是专门为尸体保存的技术²⁴。新鲜冷冻的尸体在某种程度上保持了许多器官和组织的一致性和灵活性, 但它们有几个缺点: 一旦解冻开始, 它们就开始降解, 从而使大脑变得过于退化, 无法插入微电极阵列要现实地执行, 它们是一种相对稀少且昂贵的资源。而甲醛固定的尸体, 另一方面, 是更实惠, 可用和更耐用, 以牺牲硬化组织的一致性。

在这里, 我们建立了一个程序使用甲醛固定的人体模型, 提供神经外科训练的植入皮层微电极阵列。我们的方法允许现实的, 或类似的定位和仪器;进行开颅和 durotomy, 暴露皮层表面;将电极基座连接到颅骨骨周围的开颅;用气动冲击器²⁵将微电极阵列插入到大脑皮层中。重要的是, 它使外科医生能够实践的精确对准的微电极阵列 (这是连接到电极基座由一捆单独绝缘金丝) 平行的皮层表面²⁶。我们的协议忠实地复制的迹象, 微电极阵列植入和 ECOG 植入的病人谁是癫痫手术的候选者。微电极阵列的精确类型对植入手术的特殊性有显著影响;在这里, 我们描述了一个数组的程序, 最近得到了在美国使用的监管批准。so-called 犹他阵列包括一个4x4 毫米, 100 微电极网格;附着在颅骨外表上的经皮底座;和连接两个的线束。

研究方案

这项工作中使用的人体尸体是在医学教育的身体捐赠框架下提供的。捐赠者在世时以书面形式获得了对遗体捐献的知情同意书。根据联邦和州的法律, 没有必要对道德委员会进行审查。

注: 本协议假设, 执行手术的人外科的训练和专业知识的标准神经外科程序, 包括病人定位和头部固定, 开颅和 durotomy, 缝合。除了专用于微电极阵列的工具和设备外, 还使用标准的神经外科工具和设备。

1. 选择尸体和设置手术室

1. 选择一个没有疾病史或头部、头骨和大脑损伤的标本。
   1. (可选) 对尸体头部进行计算机断层扫描 (CT) 检查, 以确保没有明显的颅内病变 (图 1A), 如慢性硬脑膜下血肿或 intra-axial 扩张性病变。使用 CT 扫描, 确定一个靶皮层区的微电极阵列植入 (如 "手旋钮" 区域的中央回, 对应于手的表示在主电机皮层²⁷, 在训练的情况下用于植入一个接口)。
2. 将尸体放在手术台的侧面卧位。使用手术台, 而不是解剖表, 以增加现实主义的或类似的环境, 并促进固定的头骨钳和气动冲击器。将尸体放置在侧卧位, 以便在一个甲醛固定的尸体上允许额时间的方法, 其中颈部旋转是有限的。
3. 将头部固定在颅骨钳上 (图 1B)。用手术窗帘覆盖 (图 1C)。
   注意: 在我们的情况下, 头骨钳的后针在头部的矢状面上异常地定位 (参见图 1B), 因为我们使用了一个头骨钳, 它已被修改为外科训练目的, 以保存与其余部分分离的尸体头。的身体。
   1. 当使用一个标准的头骨钳在手术台上, 放置后针固定头部垂直于矢状面。

2. 皮层表面的曝光

1. 用手术刀切开头皮, 在一个问号切口后, 露出颞侧和额骨。解剖沿切口后缘的颞肌。通过钝解剖 (图 1D) 将头皮和颞肌肉倾斜。
2. 进行大面积的额颞开颅手术, 例如 5 x 5 厘米 (图 2A)。为此, 在预定的开颅的拐角处钻出四毛刺孔。然后, 使用 craniotome 连接毛刺孔。用刮刀取出骨瓣, 露出硬脑膜。将骨瓣储存在盐水溶液中。
3. 用硬脑膜剪刀 (图 2B) 打开开颅三侧的硬脑膜。倾斜它, 露出蛛网膜和大脑皮层的表面 (图 2C)。

3. 电极基座固定

1. 选择一个皮质回, 其中微电极阵列将被植入。选取一个近似平坦的回转窑曲面, 使微电极阵列在插入时会与它齐平。确保在皮质表面上没有可见的血管在微电极阵列上入。
2. 选择一个固定在开颅的上边缘的电极基座的位置, 靠近皮肤切口, 并允许足够松弛的电线束, 使微电极阵列可以达到目标回。螺钉的基座上的头骨骨旁边的开颅 (图 2D) 的外部表。使用6至8攻皮质骨螺钉 (6 毫米长度, 2 毫米直径), 以确保适当的固定。
   1. 在操纵基座时, 一定要确保微电极阵列不触及任何物体 (它可能被损坏或可能划破皮层表面), 它通过用镊子和塑料钳将线束紧紧地握在电极阵列上。橡胶涂层的提示 (图 2E)。

4. 微电极阵列的定位和插入

1. 将微电极阵列与靶回的表面平行放置。根据需要为该用途弯曲线束 (图 3A)。
   注意: 硬线束不容易符合外科医生的意愿。需要细心和耐心才能使微电极阵列和皮质表面得到良好的对准。
   1. (可选) 使用 "狗骨" 钛带, 确保线束固定在头骨上, 并控制其朝向靶脑回的过程。不要把皮带拧得太紧, 以免损坏电线束。
2. 使气动冲击器与微电极阵列的背面近似对准 (图 3B)。控制气动冲击器与控制箱的连接, 然后打开控制箱。
   注: 在打开控制箱之前, 确保气动冲击器至少离阵列5毫米, 因为在第一次打开时可能会触发气压冲击。
3. 使用气动冲击器的毫米螺钉, 用微电极阵列的背面 (图 3B, 嵌入) 来细化撞击者的对准。使用撞击器, 在微电极阵列的背面应用一个漂移距离和压力控制的水龙头, 并将其插入皮层表面, 将其推入蛛网膜。
   注: 检查微电极阵列是否与皮质表面齐平。

5. 硬膜下 ECOG 网的定位

注意: 此步骤是可选的。

1. 将硬膜下 ECOG 网格置于裸露的皮质表面 (图 3D)。如有必要, 通过切割栅格来去除电极, 使 ECOG 网格的整体形状适合开颅。
2. ECOG 格栅, 使其电线将退出硬脑膜和头骨的优越或向后。
3. 用盐水冲洗 ECOG 网格, 然后再将其与皮质表面接触。
4. 通过缝合到 durotomy 边缘的硬脑膜, 确保 ECOG 网格的安全。

6. 硬脑膜、骨瓣和皮瓣的复位和闭合

1. 反射硬脑膜背部暴露的皮质表面和缝合到边缘的 durotomy。
2. 螺丝 "狗骨" 钛带上的边缘骨瓣使用攻皮质骨螺钉。在开颅手术中重新定位骨瓣。用 "狗骨" 钛带和攻皮质骨螺钉将骨瓣固定到相邻的颅骨骨上。注意不要粉碎微电极阵列 (和可选 ECOG 网格) 的线束在骨骼边缘之间。
3. 反射和缝合皮瓣。关闭在电极底座 (图 3E) 的颈部周围的皮肤切口。
   1. 另外, 允许基座通过一个单独的刺切口进入头皮皮瓣。

结果

我们的协议使用了一种甲醛固定的人体模型, 让外科医生能够在现实的或类似的环境中, 实施将微电极阵列植入大脑大脑皮层的手术方法。进行后验神经影像的选择, 如头颅 CT, 将证实没有任何重大颅内病变 (图 1A), 并可以帮助选择植入部位。使用整个标本并在手术台上进行手术, 这增加了训练过程的真实性 (图 1B-1C)。虽然甲醛固定有一定程?...

讨论

甲醛固定的人体尸体模型和手术协议描述复制的外科手术过程中植入微电极阵列到人脑皮质。该过程的每一步, 包括微电极阵列的定位和它的插入与气动插入, 进行几乎相同的方式在现实生活中的病人, 除了脑搏动和循环缺席。该协议中的关键步骤是将微电极阵列与皮层表面对齐, 并使用气动插入将其撞击到皮层。必须注意将该阵列近似为与皮质表面平行的可能性。在这种情况下, 该阵列不说谎冲洗...

材料

Name	Company	Catalog Number	Comments
Mayfield skull clamp	Integra LifeSciences, Cincinnati, OH	A1059
Midas Rex MR7 system for craniotomy	Medtronic, Minneapolis, MN	EC300
Dura scissors	Sklar Surgical Instruments, West Chester, PA	22-2742
Self-tapping bone screws	OrthoMed Inc., Tigard, OR	OM SYN211806
Microelectrode array and pedestal	Blackrock Microsystems, Salt Lake City, UT	LB-0612	Mock-up arrays are available from the manufacturer upon request
Pneumatic impacter	Blackrock Microsystems, Salt Lake City, UT	LB-0088
64-channel electrocorticography grid	Ad-Tech Medical Instrument Corporation, Racine, WI	FG64C-SP10X-0C6	Optional