אימוני ניתוח ההשתלה של מערכים Neocortical Microelectrode באמצעות מודל של פורמלדהיד-קבוע גווייה אנושי

Summary

תיכננו הליך שבו גופה אנושית-קבוע פורמלדהיד משמש כדי לסייע נוירוכירורגים להכשרת ההשתלה של מערכים microelectrode לתוך קליפת של המוח האנושי.

Abstract

פרוטוקול זה מתאר הליך כדי לסייע מנתחים להכשרת ההשתלה של מערכים microelectrode לתוך קליפת של המוח האנושי. ההתקדמות הטכנולוגית האחרונות אפשרה הזיוף של מערכים microelectrode המאפשרות הקלטה הפעילות של נוירונים בודדים מרובים קליפת של המוח האנושי. מערכים אלה יש פוטנציאל להביא תובנה ייחודי על גבי ה"מפה עצביים של תפקוד מוחי על בריאות ומחלה. יתר על כן, הזיהוי ופענוח של הפעילות העצבית ופרסומיה פותח את האפשרות להקמת ממשקים מוח-מחשב, ובכך עשוי לעזור לשחזר איבד פונקציות נוירולוגיות. ההשתלה של מערכים neocortical microelectrode הוא הליך פולשני הדורשים גולגולת centimetric הארץ, החשיפה של המשטח בקליפת המוח; לפיכך, ההליך יבוצע ע י נוירוכירורג שלמאחה מיומן. כדי לספק הזדמנות עבור תרגולי, תיכננו פרוצדורה המבוססת על מודל אנושי גווייה. השימוש של גופה אנושית פורמלדהיד-קבוע עוקף את הקשיים מעשית, מוסרית וכלכלית של תרגול כירורגי בבעלי חיים (בעלי-חיים במיוחד פרימטים) תוך שמירה על המבנה מאקרוסקופית של הראש, הגולגולת, קרומי המוח ולתקן מוחין פני השטח ומאפשר מציאותית, כמו חדר ניתוח מיצוב ומכשור. יתר על כן, השימוש של גופה האנושי הוא קרוב יותר יומי הקליני מאשר כל דגם אנושיות. החסרונות העיקריים של הסימולציה cadaveric הם העדר של מוחי pulsation, מחזור הדם, נוזל מוחי שדרתי. אנו ממליצים כי מודל פורמלדהיד-קבוע גווייה האנושי היא גישה נאותה, מעשי וחסכונית להבטיח הכשרה מתאימה כירורגי לפני השתלת microelectrode מערכים בקליפת אדם חי.

Introduction

בשנים האחרונות ראית את הפיתוח של פתרונות טכנולוגיים לאתגר של הקלטת הפעילות של נוירונים בודדים מרובים בסלון המוח^1,2,3. Microelectrode מבוססי סיליקון מערכים לבצע באופן דומה כדי microelectrodes חוט רגיל מבחינת מאפייני אות, הם יכולים להקליט כאן בין עשרות למאות נוירונים בפיסה קטנה של רקמת המוח^{4,5, 6 , 7}. microelectrode מערכים אפשרו למדענים להקים את ההתכתבות בין פעילות עצבית בקליפת המנוע העיקרי של קופים הזרוע תנועות⁸, אשר בתורו סיפקה דחיפה להתפתחות של מוח-מחשב ממשקים (BCIs)⁹.

מערכים microelectrode השתמשו בבני אדם בשני מצבים: שתלים כרונית כדי לשלוט BCIs וכן שתלים למחצה כרונית ללמוד את הפעילות של נוירונים בודדים בחולים הסובלים מאפילפסיה. השתלים כרונית, מיקוד הייצוג פונקציונלי של היד בקליפת מנוע ראשי, אפשרו חולים הסובלים tetraplegia כדי לשלוט בתנועה של זרוע רובוטית או של המחשב סמנים^{10,11,12 ,13}. השתלים למחצה כרונית, מוכנס יחד עם אלקטרודות לשטף electrocorticography (ECOG) בחולים עם אפילפסיה עמידים שאינם מועמדים לניתוח אפילפסיה¹⁴, לאפשר הקלטות יחיד-יחידה לפני, במהלך ואחרי התקפים, החלו לשפוך אור על הפעילות של הנוירונים יחיד במהלך, בין התקפים אפילפטיים^{15,16,17,18,19}. מערכים microelectrode יש פוטנציאל לשפר באופן משמעותי את הבנתנו איך המוח מתפקד על-ידי יצירת קישור בין הפעילות של הנוירונים, מצד אחד, תפיסות, תנועות ואת מחשבות של בני האדם, גם בריאות וגם ב המחלה, על אחרים^20,21.

מערכים מבוססי סיליקון microelectrode זמינים כעת מסחרית, השימוש בהם בבני אושרה על ידי הרשויות הרגולטוריות בארה בהסימן אפילפסיה למחצה כרונית. עם זאת, התקנים אלה הינם פולשניים, חייב להיות מוכנס לתוך המוח. ההשלכות השליליות של טכניקה ההכנסה פסולים, מעבר הכישלון של ההתקן כדי להקליט פעילות. עצבית, כוללים דימום מוחי, זיהום, עם הפוטנציאל של תפקוד נוירולוגי לטווח ארוך או קבועה. שיעור סיבוך של microelectrode מערך ההשתלה אמנם כרגע לא ידוע, שיעור פוטנציאל לסיבוכים רציניים במהלך ההשתלה של macroelectrodes תוך-גולגולתי אלקטרואנצפלוגרם (EEG) הוא 1-5%^{22, 23}. לכן, ההשתלה נאותה של מערכים microelectrode דורש מיומנויות נוירולוגי מקיף והן נוהל הדרכה.

הגישות זמין עבור מנתחים לחדד את כישורי שלהם עם מערכים microelectrode בסביבה בטוחה כוללים יונקים שאינם בני אדם ובגופות אנוש. מודל האימון אידיאלי לשחזר בנאמנות את גודל ועובי של הגולגולת האנושית; הקשיחות ואת כלי הדם הסתעפויות של דורה; דפוס gyrification, עקביות, pulsation של המוח האנושי; הנוכחות של מחזור הדם, נוזל מוחי שדרתי; ואת המיקום הכללי של הנושא בחדר ניתוח (או אר)-כזה בסביבה. לפיכך, מודלים בעלי חיים צריכים להיות בגודל מספיק כדי לספק חוויה משמעותית המנתחים. פרימטים אנושיות גדולות הקרוב ביותר, אבל ושימושם עבור תרגולי בלתי נסבלת שניהם מנקודת מבט מוסרית, כי הם יקרים. מכרסמים אל תזין שיקול בשל גודלם הקטן; שימוש אפילו חתולים או ארנבים מרמז מתפצל באופן משמעותי מפני הסביבה או דמוי.

גופות של בני אדם מייצגות חלופה אטרקטיבית. יתרונם כוללים את גודל חיים כמו צורת הראש והמוח ועל האפשרות של הגדרת תרגולי סביבה או דמוי. הברור ביותר של מצב מציאותי מפליגות העדר הפעימות מוחי דימום ואת השינויים היבט ו consistence של רקמות הגוף הספציפיים הטכניקה שבה נעשה שימוש עבור שימור גופה²⁴. גופות טריים מוקפאים לשמר את עקביות והגמישות של רבים איברים ורקמות במידה מסוימת, אך יש מספר חסרונות: הם מתחילים משפילים ברגע מפשיר מתחיל, כך המוח הופך להיות מושפל גם עבור הכניסה של microelectrode מערך להתבצע באופן מעשי, והם הם משאב נדיר ויקר יחסית. פורמלדהיד-קבוע גוויות, מצד שני, הן במחיר נוח יותר, זמינים עמיד הרבה יותר, על חשבון רקמות מוקשח עקביות.

כאן, אנחנו? ליצור הליך באמצעות מודל של פורמלדהיד-קבוע גווייה אנושי לספק הכשרה נוירוכירורגיים ההשתלה של מערך neocortical microelectrode. הגישה שלנו מאפשרת מציאותית, או כמו מיצוב ומכשור; ביצוע ואז durotomy וחושף פני neocortical; הצמדת אלקטרודה הכן לעצם הגולגולת השכנות את הניתוח; ולהוספה של המערך microelectrode לתוך קליפת impactor פנאומטי²⁵. אנושות, זה מאפשר מנתחים לתרגל את יישור מדויק של המערך microelectrode (אשר מחובר אל המעמד אלקטרודה על ידי צרור של חוטי זהב מבודד בנפרד) מקביל פני השטח neocortical²⁶. פרוטוקול שלנו בנאמנות משכפל את הסימן של microelectrode השרשה מערך יחד עם ההשתלה ECOG בחולים המועמדים לניתוח אפילפסיה. הפרטים של הניתוח השרשה מושפעים באופן משמעותי הסוג המדויק של מערך microelectrode; כאן, אנו מתארים את ההליך עבור מערך כי לאחרונה קיבלה את אישור רגולטורי לשימוש בבני אדם בארה ב. המערך יוטה כביכול כוללת של 4 x 4 מ מ, 100 microelectrode רשת; הדום transcutaneous שמצורף לטבלה חיצוני של הגולגולת; וחיבור צרור חוט השני.

Protocol

הגופה האנושית להשתמש בעבודה זו סופקה תחת המסגרת של הגוף תרומות לחינוך רפואי. הסכמה מדעת לתרומת גוף הושג בכתב במהלך החיים של התורם. בהתאם לחוקים פדרליים ועל הקנטונים, אין ביקורת על-ידי ועדת האתיקה היה הכרחי.

הערה: פרוטוקול זה מניחה כי האנשים ביצוע הניתוח בפועל הם נוירוכירורגים עם הכשרה ומומחיות נהלי נוירוכירורגיים, כולל מיקום החולה, קיבוע הראש, גולגולת, durotomy, תפירה. בנוסף הכלים ואת ציוד ספציפי במערך microelectrode, משמשים ציוד וכלים נוירוכירורגיים סטנדרטי.

1. בחירה של גווייה, כיוונון של חדר הניתוח

1. בחר דגימה ללא היסטוריה של מחלה או פציעה הראש, הגולגולת והמוח.
   1. לחלופין, לבצע סריקת טומוגרפיה (CT) של הראש של הגופה כדי להבטיח שזה לא משמעותי תוך-גולגולתי הנגע (איור 1 א'), למשל שטף דם כרוני או הנגע ולקיבולת אינטרה-צירית. שימוש בסריקת, לזהות אזור בקליפת המוח היעד עבור ההשתלה של המערך microelectrode (כגון האזור "יד כפתור" של הפיתול precentral, התואם הייצוג של היד קליפת מנוע העיקרית²⁷, במקרה של אימון השרשת BCI).
2. גווייה עמדה בעגלות לרוחב על שולחן הניתוחים. השתמש שולחן הניתוחים במקום ניתוח טבלה כדי להוסיף על הריאליזם של הסביבה או דמוי ומקל את הקיבעון של הגולגולת קלאמפ, impactor פנאומטי. מקם את גוויתו בתוך חמצן לרוחב על מנת לאפשר את הגישה fronto-טמפורלית בתוך גופה פורמלדהיד-קבוע, אשר סיבוב הצוואר הוא מוגבל.
3. לתקן את הראש המלחציים הגולגולת (איור 1B). מכסים עם וילונות כירורגי (איור 1C).
   הערה: במקרה שלנו, הפינים האחורי של הגולגולת קלאמפ באופן חריג ממוקמות בתוך המטוס sagittal של הראש (ראה איור 1B), כי השתמשנו מלחציים הגולגולת ששינה למטרות תרגולי להחזיק ראש cadaveric מופרדים משאר של הגוף.
   1. כאשר באמצעות מלחציים הגולגולת רגילה על שולחן הניתוחים, למקם את הסיכות האחורי אבטחת הראש בניצב למישור sagittal.

2. חשיפת פני השטח neocortical

1. תחתכי את הקרקפת באמצעות אזמל, בעקבות חתך סימן שאלה לחשוף הזמני ועצמות הקדמית. לנתח את השריר temporalis לאורך הקצה האחורי של החתך. ובעליה לשריר הקרקפת ו temporalis ע י ניתוח עמום (איור 1D).
2. לבצע מרובע fronto-טמפורלית גולגולת גדולה, למשל 5 x 5 ס מ (איור 2 א). למטרה זו, תרגיל 4 נקבים בפינות של הניתוח המיועד. לאחר מכן, השתמש את craniotome כדי להתחבר נקבים. הסר את מכסה העצם בעזרת מרית, חשיפת קרום הדורה. אחסן את מכסה העצם תמיסת מלח.
3. פתח קרום הדורה משלושה צדדים של הניתוח באמצעות מספריים דורא (איור 2B). ובעליה זה ולחשוף את הקרום מעידה והמשטח של קליפת המוח (איור 2C).

3. קיבוע של המעמד אלקטרודה

1. בחר את הפיתול קורטיקלית בו יושתלו המערך microelectrode. בחר משטח gyral הוא שטוח כ כך המערך microelectrode ישקר מיושר עם זה בעת הכנסתו. ודא שיש אין שוצף כלי דם נראה לעין על פני קורטיקלית איפה יתווסף המערך microelectrode.
2. בחר אתר עבור הקיבעון של המעמד אלקטרודה בקצה נעלה הניתוח, קרוב החתך בעור, ומאפשר מרווח מספיק עבור החבילה חוט כך המערך microelectrode יכול להגיע הכישור היעד. בורג הכן על השולחן החיצוני של עצם הגולגולת ליד הניתוח (איור דו-ממדי). השתמש 6 עד 8 העצמית הקשה קליפת העצם שקצרנו ברגים (6 מ מ אורך, 2 מ מ קוטר) כדי להבטיח קיבוע המתאים.
   1. בשעת טיפול הכן, להקפיד על המערך microelectrode לא לגעת בשום דבר (זה עלולים להינזק או יכול lacerate על פני neocortical) על-ידי החזקת את הצרור תיל קרוב המערך microelectrode עם פינצטה עם פלסטיק - או טיפים מצופים גומי (2E איור).

4. מיקום ההוספה של המערך microelectrode

1. מקם את המערך microelectrode מקבילים עם פני השטח של הכישור היעד. לכופף את הצרור תיל כנדרש למטרה זו (איור 3 א).
   הערה: הצרור תיל נוקשה בקלות תואם המשאלות של המנתח. טיפול וסבלנות נדרשים להשיג יישור טוב של מערך microelectrode, השטח קורטיקלית.
   1. לחלופין, השתמש רצועות טיטניום "כלב עצם" כדי לאבטח את הצרור תיל בגולגולת ולשלוט מסלולו לכיוון היעד הפיתול. . אל תהרוס את הרצועה חזק מדי כדי למנוע נזק את הצרור תיל.
2. להכניס את impactor פנאומטי משוער יישור עם הגב של המערך microelectrode (איור 3B). לשלוט את החיבורים impactor פנאומטי לתיבת הבקרה שלו, ולאחר מכן הפעל את תיבת בקרת.
   הערה: ודא כי impactor פנאומטי הוא לפחות 5 מ מ מן המערך לפני הפעלת תיבת בקרת, כפי impactor פנאומטי אולי יופעל בעת ראשית מופעלת.
3. להשתמש את הברגים millimetric של בעל impactor פנאומטי כדי לחדד היישור של impactor עם הגב של המערך microelectrode (איור 3Bשיבוץ). שימוש של impactor, להחיל ברז מרחק-לחץ-נשלט של טיול לחלק האחורי של המערך microelectrode, להכניס אותו לתוך השטח קורטיקלית, דחיפתו דרך קרום מעידה.
   הערה: בדוק המערך microelectrode מיושר עם השטח קורטיקלית.

5. מיקום של הרשת ECOG לשטף

הערה: שלב זה הוא אופציונלי.

1. הצב רשת ECOG לשטף בקליפת המוח חשוף פני השטח (איור תלת-ממד). במידת הצורך, הסר אלקטרודות על ידי חיתוך באמצעות הרשת, כך הצורה הכללית של הרשת ECOG יתאים את הניתוח.
2. אוריינט רשת ECOG כך התיל שלו ייסגר את הדורה והגולגולת, עליונית או posteriorly.
3. להשקיית הרשת ECOG עם תמיסת מלח לפני הנחת במגע עם המשטח קורטיקלית.
4. באבטחת הרשת ECOG על-ידי תפירת אותו כדי קרום הדורה בקצוות durotomy.

6. שינוי מיקום וסגירת של הדורה, מכסה העצם, קפל העור

1. לשקף את הדורה מעל פני השטח בקליפת המוח החשוף, האצבעות על הקצוות של durotomy.
2. בורג "כלב עצם" רצועות טיטניום אל קצות הכנף עצם שימוש עצמי הקשה ברגים עצם קורטיקלית. למקם מחדש את מכסה העצם בתוך הניתוח. לאבטח את מכסה העצם השכנה עצמות הגולגולת עם הרצועות טיטניום "כלב עצם" ואת עצמי הקשה ברגים עצם קורטיקלית. לטפל לא כדי למחוץ את הצרור חוט של המערך microelectrode (ואלה של רשת ECOG אופציונלי) בין קצוות העצם.
3. משקפים, תפר את תוספת העור. סגירת החתך בעור סביב הצוואר של המעמד אלקטרודה (איור 3E).
   1. לחלופין, אפשר את המעמד ליציאה הקרקפת דרך חתך דקירות נפרדות הפך הכנף הקרקפת.

תוצאות

פרוטוקול שלנו משתמש במודל מקובע פורמלדהיד גופה אנושית כדי לאפשר מנתחים לתרגל את הליך כירורגי של השתלת מערך microelectrode לתוך קליפת המוח בסביבה מציאותי, או כמו. האפשרות של ביצוע דימות מוחי פוסט-מורטם, כגון, סי-טי ראש יאשר העדר כל פגיעה תוך-גולגולתי משמעותית (איור 1 א'), יכול לעזור ע...

Discussion

המודל פורמלדהיד-קבוע גווייה האנושי והפרוטוקול כירורגי המתוארים כאן לשכפל את הליך כירורגי של השתלת microelectrode מערכים לתוך קליפת המוח האנושי. כל שלב של התהליך, לרבות המיקום של המערך microelectrode והוספה שלו עם פנאומטי מכניס תוספות, המשך כמעט באותו אופן כמו מטופל אמיתי, עם היוצא מן הכלל הזה pulsation מוחי...

Materials

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