Training chirurgico per l'impianto di microelettrodi Neocortical utilizzando un modello di cadavere umano formaldeide-fisso

Riepilogo

Abbiamo progettato una procedura in cui viene utilizzato un cadavere umano formaldeide-fisso per assistere i neurochirurghi in formazione per l'impianto di microelettrodi nella neocorteccia del cervello umano.

Abstract

Questo protocollo descrive una procedura per aiutare i chirurghi in formazione per l'impianto di microelettrodi nella neocorteccia del cervello umano. Recente progresso tecnologico ha permesso la realizzazione di matrici di microelettrodi che consentono di registrare l'attività di singoli neuroni multipli nella neocorteccia del cervello umano. Queste matrici hanno il potenziale per portare una visione unica sui correlati neuronali della funzione cerebrale nella salute e nella malattia. Inoltre, l'identificazione e decodifica dell'attività neuronale volitiva apre la possibilità di stabilire le interfacce cervello-computer e così potrebbe contribuire a ripristinare perso le funzioni neurologiche. L'impianto di microelettrodi neocortical è una procedura invasiva che richiede un craniotomy supra centimetrico e l'esposizione della superficie corticale; così, la procedura deve essere eseguita da un neurochirurgo adeguatamente addestrato. Al fine di fornire un'occasione di formazione chirurgica, abbiamo progettato una procedura basata su un modello di cadavere. L'uso di un cadavere umano formaldeide-fisso consente di ignorare le difficoltà pratiche, etiche e finanziari di pratica chirurgica su animali (soprattutto non umano primati), preservando la struttura macroscopica della testa, cranio, meningi e cerebrale superficie e permettendo realistico, sala operatoria-come posizionamento e strumentazione. Inoltre, l'uso di un cadavere umano è più vicino alla pratica clinica quotidiana di qualsiasi modello di non-umani. Gli svantaggi principali della simulazione cadaverico sono l'assenza di pulsazione cerebrale e della circolazione di sangue e liquido cerebrospinale. Suggeriamo che un modello di formaldeide-fisso cadavere umano sia un approccio adeguato, pratico e conveniente per garantire un'adeguata formazione chirurgica prima di impiantare microelettrodi nella neocorteccia umana vivente.

Introduzione

Anni recenti hanno visto lo sviluppo di soluzioni tecnologiche per la sfida di registrare l'attività di più singoli neuroni in vivo del cervello^1,2,3. Microelettrodi a base di silicio eseguire allo stesso modo di microelettrodi legare convenzionale in termini di caratteristiche del segnale, e possono registrare da decine a centinaia di neuroni in una piccola zona di tessuto cerebrale^{4,5, 6 , 7}. microelettrodi hanno permesso agli scienziati di stabilire la corrispondenza tra attività neurale nella corteccia motoria primaria di scimmie e braccio movimenti⁸, che a sua volta ha fornito una spinta per lo sviluppo del cervello-computer interfacce (BCIs)⁹.

Microelettrodi sono stati utilizzati in esseri umani in due situazioni: come cronici impianti a controllo BCIs e come gli impianti semi-cronici di studiare l'attività di singoli neuroni in pazienti affetti da epilessia. Gli impianti cronici, targeting per la rappresentazione funzionale della mano nella corteccia motoria primaria, hanno permesso a pazienti affetti da tetraplegia per controllare il movimento di un braccio robotico o computer cursori^10,11,^{,12 ,13}. Impianti semi-cronici, inseriti insieme con elettrodi subdurali electrocorticography (ECOG) in pazienti con epilessia resistente alla droga che sono candidati per la chirurgia di epilessia¹⁴, consentono registrazioni unitario prima, durante e dopo i grippaggi, e hanno cominciato a far luce sull'attività di singoli neuroni durante e tra i grippaggi epilettici^{15,16,17,18,19}. Microelettrodi hanno il potenziale per migliorare significativamente la nostra comprensione di come il cervello funziona stabilendo un collegamento tra l'attività dei neuroni, da un lato e le percezioni, movimenti e pensieri degli esseri umani, sia nella salute e nella malattia, gli altri^20,21.

Microelettrodi a base di silicio sono ora disponibili in commercio e loro uso in esseri umani è stato approvato dalle autorità di regolamentazione negli Stati Uniti nell'indicazione semicronica Epilessia. Tuttavia, questi dispositivi sono invasivi e devono essere inseriti nel cervello. Le conseguenze negative della tecnica di inserimento improprio, di là del guasto del dispositivo per registrare l'attività neuronale, includono emorragia cerebrale e l'infezione, con il potenziale per disfunzione neurologica permanente o di lunga durata. Anche se il tasso di complicazione dell'impianto array microelettrodo è attualmente sconosciuto, il tasso di complicanze potenzialmente gravi durante l'impianto di macroelectrodes intracranica elettroencefalografia (EEG) è 1-5%^{22, 23}. Pertanto, l'impianto corretto di microelettrodi richiede ampie competenze neurochirurgiche e procedura-specifica formazione.

Gli approcci disponibili per i chirurghi affinare le loro abilità con microelettrodi in un ambiente sicuro comprendono mammiferi non umani e cadaveri umani. Il modello formativo ideale sarebbe riprodurre fedelmente la dimensione e lo spessore del cranio umano; la durezza e la ramificazione vascolare del dura; il modello gyrification, la coerenza e la pulsazione del cervello umano; la presenza di circolazione di sangue e liquido cerebrospinale; e il posizionamento complessivo del soggetto in una sala operatoria (OR)-come l'ambiente. Così, modelli animali devono essere di dimensioni sufficienti per fornire un'esperienza significativa per i chirurghi. Avvicinano grandi primati non umani, ma il loro uso per addestramento chirurgico è insostenibile sia dal punto di vista etico e perché essi sono costosi. Roditori non entrare in considerazione a causa delle loro piccole dimensioni; utilizzando anche gatti o conigli implica significativamente divergenti da un ambiente simile a OR.

Cadaveri umani rappresentano un'alternativa attraente. I loro vantaggi includono la vita-come dimensione e la forma della testa e del cervello e la possibilità di istituire training chirurgico in un ambiente simile a OR. Le partenze più evidente da una situazione realistica sono l'assenza di pulsazioni cerebrale e sanguinamento e le modifiche nell'aspetto e la consistenza dei tessuti del corpo che sono specifici per la tecnica impiegata per cadavere conservazione²⁴. Fresco congelato cadaveri preservare la coerenza e la flessibilità di molti organi e tessuti in una certa misura, ma presentano numerosi svantaggi: iniziano a degradare, non appena lo scongelamento inizia, in modo che il cervello diventa troppo degradato per l'inserimento di un microelettrodo matrice da eseguirsi realisticamente e sono una risorsa relativamente rara e costosa. Formaldeide-fisso cadaveri, d'altra parte, sono più accessibili e disponibili e molto più durevole, a scapito della coerenza di tessuto indurito.

Qui, stabiliamo una procedura utilizzando un modello di formaldeide-fisso cadavere umano per fornire formazione neurochirurgico per l'impianto di una matrice di microelettrodi neocortical. Il nostro approccio permette realistico, OR-come posizionamento e strumentazione; esecuzione di durotomy e del craniotomy ed esponendo la superficie neocortical; associare il piedistallo di elettrodo all'osso del cranio vicini il craniotomy; e inserendo la matrice di microelettrodi nella neocorteccia con un pneumatico impactor²⁵. Criticamente, consente ai chirurghi di praticare il preciso allineamento della matrice di microelettrodi (che è collegato con il piedistallo di elettrodo tramite un fascio di fili d'oro singolarmente isolati) parallela alla superficie neocortical²⁶. Il nostro protocollo riproduce fedelmente l'indicazione dell'impianto di matrice di microelettrodi insieme con l'impianto di ECOG in pazienti che sono candidati per la chirurgia di epilessia. Le indicazioni della chirurgia dell'impianto sono influenzate significativamente dal tipo esatto di matrice di microelettrodi; qui, descriviamo la procedura per una matrice che ha recentemente ricevuto l'approvazione di regolamentazione per l'uso in esseri umani negli Stati Uniti. La cosiddetta matrice di Utah comprende un 4 x 4 mm, griglia 100 microelettrodo; un piedistallo transcutaneo che è collegato alla tabella esterna del cranio; e un fascio di cavo collega i due.

Protocollo

Il cadavere umano utilizzato in questo lavoro è stato fornito nel quadro di donazioni di corpo per l'educazione medica. Consenso informato per la donazione di corpo è stato ottenuto in scrittura durante il ciclo di vita del donatore. In conformità con le leggi federali e cantonali, non occorreva nessuna recensione da un comitato etico.

Nota: Questo protocollo si presuppone che le persone che effettuano operazioni di chirurgia pratica sono neurochirurghi con formazione e competenze in standard procedure neurochirurgiche, compreso il posizionamento del paziente e fissazione testa, craniotomia e durotomy e la sutura. Oltre gli strumenti e le attrezzature specifiche per la matrice di microelettrodi, attrezzature e strumenti neurochirurgici standard sono utilizzati.

1. selezione del cadavere e installazione della sala operatoria

1. Selezionare un esemplare senza storia di malattia o infortunio per la testa, il cranio e il cervello.
   1. Facoltativamente, eseguire un'esplorazione di tomografia computata (CT) della testa del cadavere per assicurare che non c'è nessuna lesione intracranica significativa (Figura 1A), ad es. l'ematoma subdurale cronico o una lesione espansiva intra-assiale. Utilizzando l'esplorazione di CT, identificare un'area corticale di destinazione per l'impianto della matrice di microelettrodi (come l'area di "volantino" del giro precentrale, corrispondente alla rappresentazione della mano nella corteccia motoria primaria²⁷, nel caso di formazione per l'impianto di un BCI).
2. Cadavere di posizione in decubito laterale su un tavolo operatorio. Utilizzare un tavolo operatorio, piuttosto che una dissezione tabella allo scopo di aggiungere il realismo dell'OR-come ambiente e facilita il fissaggio della pinza di cranio e pneumatico dispositivo d'urto. Posizionare il cadavere in decubito laterale per consentire l'approccio fronto-temporale in un cadavere di formaldeide-fisso, in quale la rotazione del collo è limitato.
3. Fissare la testa nel morsetto del cranio (Figura 1B). Copertura con teli chirurgici (Figura 1).
   Nota: Nel nostro caso, i perni posteriori del morsetto del cranio sono insolitamente posizionati nel piano sagittale della testa (cfr. Figura 1B), perché abbiamo usato un morsetto di cranio che era stato modificato per scopi di addestramento chirurgico tenere un cadaverico testa separata dal resto del corpo.
   1. Quando si utilizza un morsetto standard cranio su un tavolo operatorio, inserire i perni posteriori fissarne la testa perpendicolare al piano sagittale.

2. esposizione della superficie neocortical

1. Incidere il cuoio capelluto usando un bisturi seguendo un'interrogativo incisione per esporre il temporale e ossa frontali. Sezionare il muscolo di temporalis lungo il bordo posteriore dell'incisione. Reclinare il muscolo del cuoio capelluto e temporalis di dissezione smussa (Figura 1).
2. Eseguire una craniotomia fronto-temporale di Piazza grande, ad es. 5 x 5 cm (Figura 2A). A tale scopo, quattro fori della bava agli angoli del craniotomy previsto. Quindi, è possibile utilizzare il craniotome per collegare i fori della bava. Rimuovere il lembo osseo con una spatola, esponendo il mater di dura. Conservare il lembo osseo in soluzione salina.
3. Aprire il mater di dura su tre lati del craniotomy utilizzando forbici dura (Figura 2B). Esso si adagia ed esporre la membrana aracnoide e la superficie della neocorteccia cerebrale (Figura 2).

3. fissazione del piedistallo elettrodo

1. Selezionare una circonvoluzione corticale dove sarà impiantata la matrice di microelettrodi. Selezionare una superficie gyral che è approssimativamente piatta in modo che la matrice di microelettrodi si trovano quando inserito a filo. Assicurarsi che non ci sia nessun visibile del vaso sanguigno che scorre sulla superficie corticale dove verrà inserita la matrice di microelettrodi.
2. Selezionare un sito per la fissazione del piedistallo elettrodo sul bordo superiore del craniotomy, vicino l'incisione cutanea e permettendo sufficiente margine di flessibilità per il bundle di filo, così che la matrice di microelettrodi può raggiungere il gyrus di destinazione. Avvitare il piedistallo sul tavolo esterno dell'osso del cranio accanto il craniotomy (Figura 2D). Utilizzare 6 a 8 viti autofilettanti di osso corticale (lunghezza di 6 mm, 2 mm di diametro) per garantire adeguata fissazione.
   1. Quando si manipolano il piedistallo, assicurarsi sempre che la matrice di microelettrodi non tocchi niente (potrebbe essere danneggiato oppure potrebbe lacerare la superficie neocortical) tenendo il filo bundle vicino la matrice di microelettrodi con pinzette con plastica - o Punte rivestite in gomma (Figura 2E).

4. posizionamento e inserimento della matrice di microelettrodi

1. La matrice di microelettrodi. Posizionare parallelamente con la superficie del gyrus di destinazione. Piegare il filo in bundle come necessario a tale scopo (Figura 3A).
   Nota: Il pacchetto di filo rigido facilmente non è conforme ai desideri del chirurgo. Cura e pazienza sono necessari per ottenere un buon allineamento della matrice di microelettrodi e superficie corticale.
   1. Facoltativamente, è possibile utilizzare cinghie di titanio "osso di cane" per proteggere il bundle di filo al cranio e controllare il suo corso verso il gyrus di destinazione. Non avvitare troppo stretto la cinghia per evitare di danneggiare il bundle di filo.
2. Portare il dispositivo d'urto pneumatico in allineamento approssimativo con il dorso della matrice di microelettrodi (Figura 3B). Controllare le connessioni del dispositivo di simulazione pneumatica alla relativa casella di controllo e quindi attivare la casella di controllo.
   Nota: Assicurarsi che il dispositivo d'urto pneumatico è ad almeno 5 mm dall'array prima di attivare la casella di controllo, come il dispositivo d'urto pneumatico potrebbe essere innescato quando acceso.
3. Utilizzare le viti millimetriche del proprietario del dispositivo d'urto pneumatica per perfezionare l'allineamento di dispositivo d'urto con il dorso della matrice di microelettrodi (Figura 3Binserto). Utilizzando il dispositivo d'urto, applicare un rubinetto di distanza e pressione controllata di escursione alla parte posteriore della matrice microelettrodo e inserirla nel superficie corticale, spingendolo attraverso la membrana aracnoide.
   Nota: Controllare che la matrice di microelettrodi è a filo con la superficie corticale.

5. posizionamento della griglia ECOG subdurale

Nota: Questo passaggio è facoltativo.

1. Posizionare una griglia ECOG subdurale sopra la superficie corticale esposta (Figura 3D). Se necessario, rimuovere gli elettrodi da taglio attraverso la griglia in modo che la forma complessiva della griglia ECOG si inserisce il craniotomy.
2. Orientare la griglia ECOG in modo che i suoi fili uscirà il mater di dura ed il cranio superiormente o posteriormente.
3. Irrigare la griglia ECOG con soluzione fisiologica prima di porlo a contatto con la superficie corticale.
4. Fissare la griglia ECOG suturando esso al mater di dura ai bordi della durotomy.

6. riposizionamento e chiusura del mater di dura, lembo osseo e la falda della pelle

1. Riflettere il mater di dura indietro sopra la superficie corticale esposta e si sutura ai bordi della durotomy.
2. Vite di cinghie di titanio "osso di cane" sui bordi del lembo osseo utilizzando osso corticale viti autofilettanti. Riposizionare il lembo osseo all'interno il craniotomy. Fissare il lembo osseo vicine le ossa del cranio con le cinghie di titanio "osso di cane" e osso corticale viti autofilettanti. Fare attenzione a non per schiacciare il bundle di filo di matrice di microelettrodi (e quelli della griglia opzionale ECOG) tra i bordi dell'osso.
3. Riflettere e suturare il lembo di pelle. Chiudere l'incisione della pelle intorno al collo del piedistallo elettrodo (Figura 3E).
   1. In alternativa, consentire il piedistallo al uscita del cuoio capelluto attraverso un'incisione separata trasformato il lembo di cuoio capelluto.

Risultati

Il nostro protocollo utilizza un modello di cadavere umano formaldeide-fissato per permettere ai chirurghi di praticare la procedura chirurgica di impiantare una matrice di microelettrodi nella neocorteccia cerebrale in un ambiente realistico, OR. L'opzione di eseguire post mortem neuroimaging, come la testa CT, confermerà l'assenza di qualsiasi lesione intracranica significativa (Figura 1A) e può aiutare con la selezione del sito di impianto. Lavorando con un intero esemplare e la configu...

Discussione

Il modello di formaldeide-fisso cadavere umano e il protocollo chirurgico descritto qui replicare la procedura chirurgica di impianto microelettrodi nella neocorteccia cerebrale umana. Ogni passo della procedura, compreso il posizionamento della matrice microelettrodo e suo inserimento con l'Inseritore pneumatico, procedere quasi allo stesso modo come in un paziente di vita reale, con l'eccezione che pulsazione cerebrale e circolazione sono assenti. I passaggi critici nel protocollo sono l'allineamento della matrice micr...

Materiali

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