외과 훈련 Neocortical Microelectrode 배열 포름알데히드 고정 인간 수 색 모델을 사용 하 여 이식에 대 한

요약

우리는 포름알데히드 고정 인간의 시체 신경외과 인간의 뇌의 피 질에 microelectrode 배열에의 이식에 대 한 교육을 지원 하기 위해 사용 되는 절차를 설계.

초록

이 프로토콜에서는 인간의 뇌의 피 질에 microelectrode 배열에의 이식에 대 한 훈련에 외과 지원 하기 위해 절차를 설명 합니다. 최근 기술적 진보에는 인간의 뇌의 피 질에 여러 개별 뉴런의 활동을 기록 수 있는 microelectrode 배열의 제조 수 있게 되었습니다. 이 배열에 건강과 질병에 있는 대뇌 기능의 신경 상호 독특한 통찰력을가지고 가능성이 있다. 또한, 식별 지 신경 활동의 디코딩 뇌-컴퓨터 인터페이스를 구축 하는 가능성을 엽니다 및 따라서 손실된 신경 기능을 복원 도움이 될 수도. Neocortical microelectrode 배열의 주입은 위에 centimetric craniotomy 및 대뇌 피 질의 표면;의 노출 침략 절차 따라서, 절차는 적절 하 게 훈련 된 신경 외과의 의해 수행 되어야 합니다. 외과 훈련을 위한 기회를 제공 하기 위해 우리가 인간의 시체 모델에 따라 절차 설계 되었습니다. 포름알데히드-고정 인간의 시체를 사용 하 여 머리, 해골, meninges의 거시적인 구조를 유지 하면서 동물 (특히 비 인간 영장류) 외과 연습의 실용적인, 윤리 및 재정 어려움을 무시 하 고 대뇌 표면 그리고 현실, 수술 실 같은 위치와 계측. 또한, 인간의 시체를 사용 하 여 비 인간 모델 보다 임상 매일 연습에 가까운 이다. 싱가포르로 시뮬레이션의 주요 결점은 대뇌 맥의 및 혈액 및 중추 순환의 부재. 인간의 시체 포름알데히드 고정 모델은 microelectrode 배열을 살아있는 인간의 피 질에 이식 하기 전에 적절 한 수술 훈련 되도록 적절 한 실용적이 고 비용 효율적인 접근 하는 것이 좋습니다.

서문

최근 몇 년 동안 생활에 여러 개의 개별 뉴런의 활동을 기록의 도전 기술 솔루션의 개발 본 뇌^1,2,3. 실리콘 기반 microelectrode 배열 신호 속성 측면에서 기존의 와이어 microelectrodes을 비슷하게 수행 하 고 수십에서 수백 개의 뉴런 대뇌 조직^4,5, 의 작은 패치를 기록할 수 있습니다. ^{6 , 7}. microelectrode 배열 팔 움직임⁸차례로 뇌-컴퓨터의 개발에 후원을 제공 했다와 원숭이의 기본 모터 피 질에서 신경 활동 간의 관계를 설정 하는 과학자 허용 인터페이스 (BCIs)⁹.

Microelectrode 배열 두 가지 상황에서 인간이 사용 되었습니다: 제어 BCIs에 만성 이식 하 고 세미 만성 이식 환자의 간 질 고통에서 개별 뉴런의 활동을 공부 하. 기본 모터 피 질에 손의 기능적 표현 대상으로 만성 이식 환자 또는 컴퓨터 커서^{10,11,12의 로봇 팔의 모션 제어를 사지에서 고통 허용 ,13}. 세미 만성 이식, 간 질 수술¹⁴, 후보 약물 내성 간 질 환자에서 경 electrocorticography (ECOG) 전극 함께 삽입 하기 전에, 동안과 발작, 후 단일 단위 기록 허용 그리고 중 고 간 질 발작^{15,,1617,,1819}사이 단일 뉴런의 활동에 빛을 발산 하기 시작 했습니다. Microelectrode 배열에는 크게 뇌 뉴런, 한편으로의 활동 및 인식, 움직임 및 인간, 및 건강에 모두의 생각 사이의 링크를 설정 하 여 작동 하는 방법에 대 한 우리의 이해를 향상 시킬 잠재력 질병, 다른^20,21에.

Microelectrode 실리콘 기반 배열을 사용할 수 있습니다 상업적으로 그리고 인 간에 있는 그들의 사용 반 만성 간 질 표시에 있는 미국에서 규제 당국에 의해 승인 되었습니다. 그러나,이 장치는 침략 적 이며 두뇌에 삽입 해야 합니다. 기록 신경 활동, 장치의 실패 넘어 잘못 삽입 기술의 부정적인 결과 뇌 출혈 및 감염, 오랫동안 또는 영구적인 신경 장애에 대 한 가능성을 포함합니다. Microelectrode 배열 이식의 합병증 비율은 현재 알려진, intracranial electroencephalography (뇌 파) macroelectrodes의 주입 하는 동안 잠재적으로 심각한 합병증의 속도 1-5^{22, 23}. microelectrode 배열의 적절 한 이식 광범위 한 신경외과 기술 및 절차 관련 훈련을 요구 하는 따라서.

Microelectrode 배열 안전한 환경에 있는 그들의 기술을 연마 하는 외과에 사용할 수 있는 방법이 포함 비 인간 포유동물과 인간의 시신. 이상적인 훈련 모델 크기와 인간의 두개골;의 두께 충실 하 게 재현 것 이다 인 성 및 혈관 분파의 경질; gyrification 패턴, 일관성 및 인간 두뇌;의 맥 동 순환 혈액 및 뇌 척수;의 존재 수술 실 (OR)에서 피사체의 전체 위치-환경 처럼. 따라서, 동물 모델 외과 의사에 의미 있는 경험을 제공 하는 충분 한 크기의 필요 합니다. 큰 비 인간 영장류와 가까운, 하지만 수술 훈련에 대 한 그들의 사용은 지속 가능한 윤리적 관점에서 둘 다 때문에 그들은 비싸다. 설치류; 그들의 작은 크기 때문에 고려를 입력 하지 마십시오 심지어 고양이 또는 토끼를 사용 하 여 또는 같은 환경에서 크게 분기 의미 합니다.

인간의 시신 매력적인 대안을 나타냅니다. 그들의 장점은 같은 크기 및 형태는 머리와 뇌의 설정 또는 비슷한 환경에서 수술 훈련의 가능성을 포함 합니다. 현실적인 상황에서 가장 확실 한 출발은 대뇌 맥 동 하 고 출혈과 측면에 시신 보존²⁴에 대 한 고용 기술에 관련 된 신체 조직의 견실성 수정의 부재. 신선한 냉동 시신 보존 일관성과 유연성을 어느 정도까지, 많은 조직과 장기의 하지만 그들은 몇 가지 단점이 있다: 그들은 최대한 빨리 녹고 타락 시작 시작, 두뇌는 microelectrode의 삽입에 대 한 너무 저하 되는 현실적으로, 수행할 수 배열 그리고 그들은 상대적으로 희귀 하 고 비싼 자원 이다입니다. 포름알데히드-고정 시신, 다른 한편으로, 더 저렴 하 고 사용할 수 경화 조직의 일관성을 희생 해 서 훨씬 더 내구성이 있습니다.

여기, 우리가 neocortical microelectrode 배열에의 이식에 대 한 신경외과 훈련을 제공 하는 인간의 시체 포름알데히드 고정 모델을 사용 하 여 프로시저를 설정 합니다. 우리의 접근 방식은 수 현실, 또는 같은 위치 및 계측; craniotomy 및 durotomy을 수행 하 고 노출 neocortical 표면; 두개골 뼈 craniotomy; 이웃에 전극 받침대 연결 그리고 공기 충돌²⁵피 질 microelectrode 배열 삽입. 비판적, 외과 microelectrode 배열 (개별적으로 절연 골드 와이어 번들에 의해 전극 받침대에 연결)의 정확한 정렬을 연습 수 있습니다²⁶neocortical 표면 평행 하 게. 우리의 프로토콜 충실히 ECOG 이식 환자는 간 질 수술에 대 한 후보에 함께 microelectrode 배열 주입의 표시를 복제 합니다. 이식 수술의 각론 microelectrode 배열;의 정확한 형식에 의해 크게 영향을 여기, 우리 최근 미국에서 인간에서 사용에 대 한 규제 당국의 승인을 받은 배열에 대 한 절차를 설명 합니다. 소위 유타 배열 구성 4 x 4 mm, 100 microelectrode 격자; 경 피 성 받침대 두개골;의 외부 테이블에 연결 된 그리고 두 가지를 연결 하는 와이어 번들.

프로토콜

이 작품에 사용 되는 인간의 시체는 의학 교육에 대 한 몸 기부금의 프레임 워크에서 제공 되었다. 바디 기부에 대 한 동의 기증자의 수명 기간 동안 서 면으로 얻은 것입니다. 연방 및 cantonal 법률에 따라 윤리 위원회에 의해 검토 필요 했다.

참고:이 프로토콜 가정 연습 수술을 수행 하는 사람은 교육 및 표준 신경외과 절차에 전문 신경외과 환자 포지셔닝 및 머리 고정 craniotomy, durotomy를 포함 하 여 봉합 합니다. 도구 및 장비 microelectrode 배열에 특정 표준 신경외과 도구와 장비 사용 됩니다.

1.의 선택 시신과의 수술 실 설치

1. 머리, 두개골과 뇌에 부상 또는 질병의 역사 없이 견본을 선택 합니다.
   1. 필요에 따라 아무 상당한 intracranial 병 변 (그림 1A), 예를 들면 만성 경 혈 또는 내부 축 광대 한 병 변은 되도록 시체의 머리의 컴퓨터 단층 촬영 (CT) 검사를 수행 합니다. CT 검사를 사용 하 여 식별 (예: "손으로 손잡이" 영역에 해당 하는 기본 모터 피 질²⁷, 훈련의 경우 손의 표현 precentral 뇌의 microelectrode 배열에의 이식에 대 한 대상 피 질 영역 BCI의 주입)에 대 한.
2. 운영 테이블에 옆 decubitus에서 위치 수 색. 보다는 해 부 또는 같은 환경의 리얼리즘에 추가 테이블 및 두개골 클램프와 공기 충돌의 고정을 용이 하 게 운영 테이블을 사용 합니다. 누구 목 회전에 포름알데히드 고정 시신에 fronto 일시적인 접근을 허용 하기 위하여 옆 decubitus 위치는 시신 제한 됩니다.
3. 두개골 클램프 (그림 1B)에 머리를 수정. 수술 커튼 (그림 1C) 커버.
   참고: 우리의 경우, 두개골 클램프의 후부 핀은 일반적으로 위치 하지 ( 그림 1B참조) 머리, 화살 비행기에 우리는 나머지에서 분리 된 시체 머리를 수술 훈련 목적을 위해 수정 했다 두개골 클램프를 사용 하기 때문에 본문입니다.
   1. 운영 테이블에 표준 두개골 클램프를 사용 하 여, 후부 핀 화살 평면에 수직인 머리를 고정 배치 합니다.

2입니다. neocortical 표면 노출

1. 두 피는 일시적인 노출 물음표 절 개 및 정면 뼈, 메스를 사용 하 여 incise 절 개의 뒤 가장자리를 따라 temporalis 근육 해 부. 무딘 해 부 (그림 1D)에 의해 두 피와 temporalis 근육 기대 되.
2. 예를 들어 큰 사각 fronto 일시적인 craniotomy, 5 x 5 cm (그림 2A)을 수행 합니다. 그 목적을 위해 의도 craniotomy의 모서리에 4 개의 버 구멍을 드릴 합니다. 그런 다음 버 구멍을 연결 하는 craniotome를 사용 합니다. 뼈 플랩 dura mater를 노출 하는 주걱을 사용 하 여 제거 합니다. 염 분 해결책에 뼈 플랩을 저장 합니다.
3. 경질이 위 (그림 2B)를 사용 하 여 craniotomy의 3 개의 측에 dura mater를 엽니다. 그것을 기대 하 고 거미 집 모양의 막과 대뇌 피 질 (그림 2C)의 표면 노출.

3입니다. 전극 받침대의 고정

1. 대뇌 피 질의 뇌 microelectrode 배열 이식 수를 선택 합니다. 약 플랫 microelectrode 배열 그걸로 넣으면 플러시 거짓말 gyral 서피스를 선택 합니다. 대뇌 피 질의 표면에 보이는 혈관 전기가 없는 microelectrode 배열 삽입 되는 위치를 확인 합니다.
2. 피부 절 개 및 microelectrode 배열 대상 뇌에 도달할 수 있도록 와이어 번들에 대 한 충분 한 여유 수 있도록 craniotomy의 우수한 가장자리에 전극 받침대의 고정을 위한 사이트를 선택 합니다. (그림 2D) craniotomy 옆 두개골 뼈의 외부 테이블에 받침대 나사. 6 ~ 8 자체 감청 외피 뼈 나사 (6 m m 길이, 직경 2 mm) 적절 한 고정을 위해 사용 합니다.
   1. 받침대를 조작 하는 경우 항상는 microelectrode 배열 만지지 않는다 (그것은 손상 될 수 있습니다 또는 neocortical 표면 입힌 수)와 플라스틱 핀셋으로 microelectrode 배열에 가까운 와이어 번들을 개최 하 여 확인 또는 고무 코팅 팁 (그림 2E).

4. 위치와 microelectrode 배열의 삽입

1. Microelectrode 배열 대상 뇌의 표면에 병렬 배치 합니다. (그림 3A) 그 목적을 위해 필요에 따라 와이어 번들을 구 부.
   참고: 뻣 뻣 한 와이어 번들 외과 의사의 소원에 쉽게 준수 하지 않습니다. 관심과 인 내를 microelectrode 배열 및 대뇌 피 질의 표면 좋은 맞춤 필요 합니다.
   1. 필요한 경우, "개 뼈" 티타늄 띠를 사용 하 여 두개골에 와이어 번들을 확보 하 여 대상 이랑 쪽으로 그것의 과정을 제어. 어떻게 하지 나사 스트랩 너무 밀접 하 게 와이어 번들의 손상을 방지 하려면.
2. 대략적인 정렬 microelectrode 배열 (그림 3B)의 뒷면에 공기 충돌을 가져올. 그것의 제어 상자에 공기 충돌의 연결 제어 하 고 컨트롤 상자를 켜십시오.
   참고: 공기 충돌은 배열에서 적어도 5mm 컨트롤 박스를 켜기 전에 공기 충돌 처음 켤 때 트리거될 수 있습니다 다는 것을 확인 하십시오.
3. 공기 충돌 소유자의 millimetric 나사를 사용 하 여 microelectrode 배열 (그림 3B삽입)의 뒤를 가진 충돌의 맞춤을 수정. 충돌을 사용 하 여 microelectrode 배열의 뒤에 여행 거리 및 압력 제어 탭을 적용 하 고 대뇌 피 질의 표면, 거미 집 모양의 세포 막을 통해 밀어 넣습니다.
   참고: microelectrode 배열 대뇌 피 질의 표면에 맞추어지도록 인지 확인 합니다.

5. 위치 아 ECOG 격자의

참고:이 단계는 선택 사항입니다.

1. 노출 된 대뇌 피 질의 표면 (그림 3D) 경 ECOG 그리드를 배치 합니다. 필요한 경우, ECOG 격자의 전반적인 모양에 맞도록는 craniotomy 그리드를 통해 절단 하 여 전극을 제거 합니다.
2. 동양 ECOG 그리드 되도록 그 전선 dura mater 및 두개골 머리 또는 뒤로 종료 됩니다.
3. 대뇌 피 질의 표면에 접촉으로 그것을 배치 하기 전에 식 염 수와 ECOG 그리드를 관개.
4. durotomy의 가장자리에서 dura mater에 봉합 하 여 ECOG 그리드를 보안.

6. 위치 및 dura mater, 뼈 플랩 및 피부 플랩의 폐쇄

1. Dura mater 노출된 대뇌 피 질의 표면에 다시 반영 하 고는 durotomy의 가장자리에 봉합.
2. 나사는 뼈의 외피 뼈 나사를 도청 자기를 사용 하 여 가장자리에 "개 뼈" 티타늄 스트랩. 위치는 craniotomy 내 뼈 플랩을 변경할. 인접 한 "개 뼈" 티타늄 스트랩과 두개골 뼈와 외피 뼈 나사를 도청 자기 뼈 플랩 보안. 알아서 하지 뼈 가장자리의 microelectrode 배열 (선택적 ECOG 그리드의) 와이어 번들 호감.
3. 반영 하 고 피부 플랩 봉합. 전극 받침대 (그림 3E)의 목에 피부 절 개를 닫습니다.
   1. 또는, 두 피 두 피 플랩으로 만든 별도 찌 르 기 절 개를 통해 탈출구를 받침대를 하실 수 있습니다.

결과

우리의 프로토콜 현실, 또는 같은 환경에서 대뇌 피 질에 microelectrode 배열 이식의 수술 절차를 연습 하는 외과 수 있도록 포름알데히드 집착 하는 인간 수 색 모델을 사용 합니다. 사후 neuroimaging 머리 CT, 등을 수행 하는 옵션이 어떤 중요 한 intracranial 병 변 (그림 1A)의 부재를 확인 및 이식 사이트의 선택과 수 있습니다. 전체 표본 작업 및 운영 테이블에 수술에 대 한 설정 훈?...

토론

인간의 시체 포름알데히드 고정 모델 및 여기에 설명 된 수술 프로토콜 복제 인간의 대뇌 피 질에 microelectrode 배열 이식의 수술. Microelectrode 배열 및 공 압 삽입기와 그것의 삽입의 위치를 포함 하 여 절차의 각 단계는 대뇌 맥 예외와 함께 실제 환자에서 거의 동일한 방식에서 진행 되며 순환 결 석. 프로토콜에 중요 한 단계는 neocortical 표면 및 공 압 삽입기를 사용 하 여 피 질으로의 impaction microelec...

자료

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