Formación quirúrgica para la implantación de microelectrodos Neocortical matrices usando un modelo de cadáver humano formaldehído-fija

Resumen

Hemos diseñado un procedimiento en el que un cadáver humano formaldehído-fija se utiliza para ayudar a los neurocirujanos en formación para la implantación de arreglos de microelectrodos en el Neocórtex del cerebro humano.

Resumen

Este protocolo describe un procedimiento para ayudar a los cirujanos en formación para la implantación de arreglos de microelectrodos en el Neocórtex del cerebro humano. Recientes avances tecnológicos han permitido la fabricación de arreglos de microelectrodos que permiten registrar la actividad de neuronas individuales múltiples en el Neocórtex del cerebro humano. Estas matrices tienen el potencial de traer una visión única sobre los correlatos neuronales de la función cerebral en salud y enfermedad. Además, la identificación y decodificación de la actividad neuronal volitiva se abre la posibilidad de establecer interfaces cerebro-computadora y así podría ayudar a restaurar las funciones neurológicas perdidas. La implantación de arreglos de microelectrodos neocortical es un procedimiento invasivo que requiere una craneotomía supra centimétrico y la exposición de la superficie cortical; así, el procedimiento debe realizarse por un neurocirujano adecuadamente capacitado. Con el fin de proporcionar una oportunidad para entrenamiento quirúrgico, hemos diseñado un procedimiento basado en un modelo de cadáver humano. El uso de un cadáver humano formaldehído-fija pasa por alto las dificultades prácticas, éticas y financieras de la práctica quirúrgica en animales (especialmente no humanos primates) conservando la estructura macroscópica de la cabeza, cráneo, meninges y cerebral superficie y permiten realista, como quirófano y el instrumental. Además, el uso de un cadáver humano está más cercano de la práctica clínica diaria que cualquier modelo no humanos. Los principales inconvenientes de la simulación cadavérico están la ausencia de pulsación cerebral y de la circulación sanguínea y del líquido cerebroespinal. Sugerimos que un modelo de cadáver humano formaldehído-fija es un enfoque adecuado, práctico y rentable para asegurar la adecuada formación quirúrgica antes de la implantación de arreglos de microelectrodos en el neocortex humano de vida.

Introducción

Últimos años han visto el desarrollo de soluciones tecnológicas para el reto de registrar la actividad de neuronas individuales múltiples en la vida del cerebro^1,2,3. Arreglos de microelectrodos basados en silicio realizan de manera similar a los microelectrodos de alambre convencional en términos de propiedades de la señal, y puede grabar desde decenas a cientos de neuronas en un pequeño trozo de tejido cerebral^{4,5, 6 , 7}. arreglos de microelectrodos han permitido a los científicos establecer la correspondencia entre la actividad neuronal en la corteza de motor primaria de monos y brazo movimientos⁸, que a su vez ha proporcionado un impulso al desarrollo del cerebro-computadora interfaces (BCIs)⁹.

Arreglos de microelectrodos se han utilizado en seres humanos en dos situaciones: como crónica implantes para control de BCIs y semi-crónicos implantes para estudiar la actividad de neuronas individuales en pacientes que sufren de epilepsia. Crónica implantes, dirigida a la representación funcional de la mano en corteza primaria del motor, han permitido que pacientes que sufren de tetraplegia para controlar el movimiento de un brazo robótico o de ordenador cursores^{10,11,12 ,13}. Implantes semi-crónicos, insertados junto con electrodos subdurales electrocorticography (ECOG) en pacientes con epilepsia resistente a fármacos que son candidatos a cirugía de epilepsia¹⁴, permiten grabaciones de una sola unidad, antes, durante y después de las convulsiones, y han comenzado a arrojar luz sobre la actividad de neuronas individuales durante y entre las crisis epilépticas^{15,16,17,18,19}. Arreglos de microelectrodos tienen el potencial para mejorar significativamente nuestra comprensión de cómo el cerebro funciona mediante el establecimiento de un vínculo entre la actividad de las neuronas, por un lado y las percepciones, movimientos y pensamientos de los seres humanos, tanto en salud como en enfermedad, en los otros^20,21.

Arreglos de microelectrodos basados en silicio ya están disponibles comercialmente y su uso en seres humanos ha sido aprobado por las autoridades reguladoras en los E.e.u.u. en la indicación de la crónica de la epilepsia. Sin embargo, estos dispositivos son invasivos y deben introducirse en el cerebro. Las consecuencias negativas de la técnica de inserción incorrecta, más allá de la falta del dispositivo a registrar actividad neuronal, incluyen hemorragia cerebral y la infección, con la posibilidad de disfunción neurológica permanente o de larga duración. Aunque la tasa de complicaciones de la implantación de microelectrodos matriz es actualmente desconocida, la tasa de complicaciones potencialmente graves durante la implantación de macroelectrodes intracraneal electroencefalografía (EEG) es de 1-5%^{22, 23}. por lo tanto, la adecuada implantación de arreglos de microelectrodos requiere amplias habilidades neuroquirúrgicas y formación específica para el procedimiento.

Los enfoques disponibles para los cirujanos perfeccionar sus habilidades con arreglos de microelectrodos en un entorno seguro son mamíferos no humanos y cadáveres humanos. El modelo de entrenamiento ideal sería reproducir fielmente el tamaño y el grosor del cráneo humano; la dureza y la ramificación vascular de la duramadre; el patrón gyrification, consistencia y pulsaciones del cerebro humano; la presencia de circulación de sangre y líquido cerebroespinal; y el posicionamiento global del tema en una sala de operaciones (OR)-como el medio ambiente. Así, los modelos animales tienen que ser de un tamaño suficiente para proporcionar una experiencia significativa para los cirujanos. Grandes primates no humanos más cercanos, pero su uso para entrenamiento quirúrgico es insostenible tanto desde una perspectiva ética y porque son caros. Roedores no entran en consideración debido a su pequeño tamaño; utilizando gatos o conejos implica divergir considerablemente de un entorno de OR-como.

Cadáveres humanos representan una alternativa atractiva. Sus ventajas incluyen la vida como tamaño y forma de la cabeza y el cerebro y la posibilidad de establecer entrenamiento quirúrgico en un ambiente de OR. Las salidas más obvio de una situación realista están la ausencia de pulsaciones cerebrales y hemorragia y las modificaciones en el aspecto y la consistencia de los tejidos corporales que son específicos de la técnica empleada para la preservación de cadáveres²⁴. Fresco congelado cadáveres preservan la consistencia y flexibilidad de muchos órganos y tejidos hasta cierto punto, pero tienen varios inconvenientes: empiezan a degradar como deshielo comienza, de modo que el cerebro se convierte en demasiado degradado para la introducción de un microelectrodo matriz a realizar de manera realista y son un recurso relativamente raro y costoso. Formaldehído-fija de cadáveres, por el contrario, son más asequibles y disponibles y mucho más durable, a expensas de la consistencia del tejido endurecido.

Aquí, estableceremos un procedimiento que utiliza un modelo de cadáver humano formaldehído-fija formación neuroquirúrgica para la implantación de una matriz de microelectrodos neocortical. Nuestro enfoque permite realista, OR-como posicionamiento e instrumentación; realizar la craneotomía y la durotomía y exponiendo la superficie neocortical; sujetar el pedestal del electrodo hasta el hueso del cráneo vecino la craneotomía; e insertando la matriz de microelectrodos en la corteza con un impactador neumático²⁵. Críticamente, permite a los cirujanos practicar una alineación exacta de la matriz de microelectrodos (que está conectada con el pedestal de electrodo por un paquete de alambres individualmente aislados de oro) paralelo a la superficie neocortical²⁶. Nuestro protocolo reproduce fielmente la indicación de implantación de microelectrodos matriz junto con implantación de ECOG en los pacientes que son candidatos para la cirugía de la epilepsia. Las indicaciones de la cirugía de implantación están influenciadas significativamente por el tipo exacto de matriz del microelectrodo; aquí, describimos el procedimiento para una matriz que recientemente recibió la aprobación regulatoria para el uso en seres humanos en los Estados Unidos. La llamada matriz de Utah está compuesto por un 4 x 4 mm, rejilla 100 microelectrodo; un pedestal transcutáneo que se adjunta a la tabla externa del cráneo; y un paquete de cable que conecta los dos.

Protocolo

El cadáver humano utilizado en este trabajo fue proporcionado en el marco de las donaciones de cuerpo para la educación médica. Consentimiento informado para la donación de cuerpo se obtuvo por escrito durante la vida del donante. Acuerdo con las leyes federales y cantonales, revisión por un Comité de ética no era necesaria.

Nota: Este protocolo asume que las personas realizando la cirugía práctica son neurocirujanos con formación y experiencia en procedimientos neuroquirúrgicos, incluyendo el posicionamiento del paciente y fijación cabeza, craneotomía y durotomía y sutura. Además de las herramientas y equipos específicos a la matriz de microelectrodos, se utilizan equipos y herramientas estándar de Neurocirugía.

1. selección del cadáver y la configuración de la sala de operaciones

1. Seleccionar a una muestra sin antecedentes de enfermedad o lesión en la cabeza, cráneo y cerebro.
   1. Opcionalmente, realizar una exploración de la tomografía computada (CT) de la cabeza del cadáver para asegurarse de que no hay ninguna significativa lesión intracraneal (figura 1A), por ejemplo, hematoma subdural crónico o una lesión expansiva intra axial. Con la tomografía computarizada, identificar un área cortical de objetivo para la implantación de la matriz de microelectrodos (como el "botón de mano" de la convolución del cerebro precentral, correspondiente a la representación de la mano de la corteza de motor primaria²⁷, en el caso de formación para la implantación de un BCI).
2. Cadáver de la posición en decúbito lateral sobre una mesa de operaciones. Utilice una mesa de operaciones en lugar de una disección de la tabla para agregar al realismo del OR-como medio y facilita la fijación de la abrazadera de cráneo y neumáticas del impactador. Colocar al cadáver en decúbito lateral con el fin de permitir el acercamiento fronto-temporal en un cadáver de formaldehído-fija, en el cual cuello rotación es limitada.
3. Fijar la cabeza en la abrazadera de cráneo (figura 1B). Cubrir con cortinas quirúrgicas (figura 1).
   Nota: En nuestro caso, los pernos posteriores de fijación cráneo inusualmente colocan en el plano sagital de la cabeza (ver figura 1B), porque emplea una abrazadera de cráneo que había sido modificada para que los propósitos de formación quirúrgica sostener una cabeza cadavérica separada del resto del cuerpo.
   1. Cuando se utiliza una abrazadera estándar del cráneo en una mesa de operaciones, coloque los pernos posteriores asegurando la cabeza perpendicular al plano sagital.

2. exposición de la superficie neocortical

1. Haga una incisión en el cuero cabelludo con un bisturí, después de una interrogación incisión para exponer el temporal y los huesos frontales. Disecar el músculo de los temporalis por el borde posterior de la incisión. Descansar los músculos del cuero cabelludo y temporalis por disección Roma (figura 1).
2. Realizar una craneotomía fronto-temporal plaza grande, por ejemplo 5 x 5 cm (figura 2A). Para ello, perfore cuatro agujeros de las rebabas de los bordes de la craneotomía previsto. A continuación, utilice el craniotome para conectar los agujeros de las rebabas. Quitar la aleta de hueso con una espátula, exponiendo la duramadre. Almacenar la aleta de hueso en solución salina.
3. Abrir la duramadre en tres lados de la craneotomía con dura unas tijeras (figura 2B). Recline y exponer la membrana aracnoide y la superficie de la corteza cerebral (figura 2).

3. fijación del pedestal de electrodo

1. Seleccione un giro cortical donde se implantará la matriz de microelectrodos. Seleccione una superficie gyral aproximadamente plana para que la matriz de microelectrodos se acostará con él cuando se insertan. No Asegúrese de que cursa de vasos sanguíneos visibles en la superficie cortical donde se inserta la matriz de microelectrodos.
2. Seleccione un sitio para la fijación del pedestal de electrodo en el borde superior de la craneotomía, cerca de la incisión en la piel y que permite la suficiente holgura para el paquete de cable para que la matriz de microelectrodos puedan alcanzar el giro del destino. Atornille el pedestal hacia la tabla externa del hueso del cráneo al lado de la craneotomía (Figura 2D). Uso de 6 a 8 tornillos autorroscantes de hueso cortical (6 mm de longitud, 2 mm de diámetro) para asegurar la fijación adecuada.
   1. Al manipular el pedestal, siempre asegúrese de que la matriz de microelectrodos no toque nada (puede estar dañado o podría lacerar la superficie neocortical) manteniendo el paquete de cable cerca de la matriz de microelectrodos con pinzas con plástico o puntas de goma (Figura 2E).

4. posicionamiento e inserción de la matriz de microelectrodos

1. Posición de la matriz de microelectrodos paralela a la superficie de la convolución del cerebro de destino. Doblar el paquete de cable como sea necesario para ello (Figura 3A).
   Nota: El paquete de cable rígido fácilmente se ajusta a los deseos del cirujano. Cuidado y paciencia se requieren para obtener la buena alineación de la superficie cortical y matriz de microelectrodos.
   1. Opcionalmente, utilice cintas de titanio "hueso de perro" para asegurar el paquete de cable en el cráneo y controlar su curso hacia el giro del destino. No atornille la correa demasiado fuerte para evitar dañar el paquete de cable.
2. Traer el impactador neumático alineación aproximada con la parte posterior de la matriz de microelectrodos (figura 3B). Controlar las conexiones del impactador neumático a su caja de control y luego encienda la caja de control.
   Nota: Asegúrese de que el impactador neumático es por lo menos 5 mm de la matriz antes de encender la caja de control, como el impactador neumático podría activarse cuando encienda.
3. Utilizar los tornillos milimétricos del titular neumáticas del impactador para refinar alineación del impactador con la parte posterior de la matriz de microelectrodos (figura 3Brecuadro). Utilizando el impactador, aplicar un toque de distancia y presión controlada de excursión a la parte posterior de la matriz de microelectrodos y colóquelo en la superficie cortical, empujando a través de la membrana aracnoide.
   Nota: Compruebe que la matriz de microelectrodos quede al ras con la superficie cortical.

5. colocación de la rejilla subdural de ECOG

Nota: Este paso es opcional.

1. Coloque una rejilla ECOG subdural sobre la superficie cortical expuesta (figura 3D). Si es necesario, retire los electrodos corte a través de la red hasta que la forma general de la red ECOG adapta a la craneotomía.
2. Oriente la rejilla de la ECOG para que sus cables saldrá la duramadre y el cráneo superiormente o posteriorly.
3. Riego de la red ECOG con solución salina antes de poner en contacto con la superficie cortical.
4. Fije la rejilla ECOG suturando a la duramadre en los bordes de la durotomía.

6. reubicación y cierre de la duramadre, aleta de hueso y piel

1. Reflejar la duramadre sobre la superficie cortical expuesta y sutura a los bordes de la durotomía.
2. Tornillo de correas de titanio "hueso de perro" en los bordes de la aleta de hueso utilizando tornillos de hueso cortical. Vuelva a colocar la aleta de hueso dentro de la craneotomía. Asegurar la aleta de hueso a los vecinos con las correas de titanio "hueso de perro" de los huesos y tornillos de hueso cortical. Tenga cuidado de no para aplastar el paquete de cable de la matriz de microelectrodos (y los de la rejilla opcional de ECOG) entre los bordes del hueso.
3. Reflejar y suturar el colgajo de piel. Cerrar la incisión de la piel alrededor del cuello del pedestal del electrodo (figura 3E).
   1. Por otra parte, permiten el pedestal a la salida del cuero cabelludo a través de una incisión separada stab en el colgajo de cuero cabelludo.

Resultados

Nuestro protocolo utiliza un modelo de cadáver humano fijado en formaldehído que permiten a los cirujanos practicar el procedimiento quirúrgico de implantación de una matriz de microelectrodos en la corteza cerebral en un entorno realista, OR-como. La opción de realizar post-mortem neuroimagen, como la cabeza CT, confirma la ausencia de cualquier lesión intracraneal significativa (figura 1A) y puede ayudar con la selección del sitio de implantación. Trabajar con una muestra completa ...

Discusión

El modelo de cadáver humano formaldehído-fija y el protocolo quirúrgico descrito aquí replican el procedimiento quirúrgico de implantación de arreglos de microelectrodos en la corteza cerebral humana. Cada paso del procedimiento, incluyendo la colocación de la matriz de microelectrodos y su inserción con el elemento de inserción neumática, proceder de casi la misma manera como en un paciente de la vida real, con la excepción eso pulsación cerebral y la circulación están ausentes. Los pasos críticos en el p...

Materiales

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