Для просмотра этого контента требуется подписка на Jove Войдите в систему или начните бесплатную пробную версию.
Method Article
Следующая рукопись описывает новый метод для разработки биологической, замкнутой системы нейронной обратной связи петли называется композитных регенеративных периферийных нервных интерфейс (C-RPNI). Эта конструкция имеет возможность интегрироваться с периферическими нервами, чтобы усилить эфференцировать моторные сигналы, одновременно обеспечивая афферентную сенсорную обратную связь.
Последние достижения в нейропротезировании позволили тем, кто живет с потерей конечностей, воспроизвести многие функции, родные отсутствующей конечности, и это часто достигается за счет интеграции с периферической нервной системой. К сожалению, методы, используемые в настоящее время часто связаны со значительным повреждением тканей, что предотвращает длительное использование. Кроме того, эти устройства часто не имеют какой-либо значимой степени сенсорной обратной связи, поскольку их сложная конструкция ослабляет любые вибрации или другие ощущения, от которых пользователь мог ранее зависеть при использовании более простых протезов. Композитный регенеративный интерфейс периферического нерва (C-RPNI) был разработан как стабильная, биологическая конструкция с возможностью усиления эзерентных сигналов нерва двигателя, обеспечивая при этом одновременную афферентную сенсорную обратную связь. C-RPNI состоит из сегмента свободного кожного и мышечного трансплантата, обеспеченного вокруг целевого смешанного сенсорного нерва, с преференциальным реиннервацией моторного нерва мышечного трансплантата и рененервации дермального трансплантата. У крыс эта конструкция продемонстрировала генерацию сложных потенциалов мышечного действия (CMAPs), усиливая сигнал целевого нерва от уровня микро- до милливольта, с соотношением сигнала к шуму в среднем около 30-50. Стимуляция кожного компонента конструкции генерирует сложные сенсорные нервные потенциалы (CSNAPs) на проксимальном нерве. Таким образом, эта конструкция имеет многообещающую будущую полезность для реализации идеального, интуитивно понятного протеза.
Конечности ампутации затрагивают почти 1 из 190 американцев1, и их распространенность, по прогнозам, возрастет с 1,6 миллиона сегодня до более чем 3,6 миллиона к 2050году 2. Несмотря на документальное использование на протяжении более тысячелетия, идеальный протез еще предстоит реализовать3. В настоящее время существуют сложные протезы, способные к множественным совместным манипуляциям с потенциалом воспроизвести многие двигательные функции родной конечности4,5. Однако эти устройства не считаются интуитивно понятными, так как желаемое движение протезов обычно функционально отделено от сигнала управления входной связи. Пользователи обычно считают эти "продвинутые протезы" трудно узнать и, следовательно, не подходит для повседневного использования1,6. Кроме того, сложные протезы, которые в настоящее время на рынке, не обеспечивают никакой заметной степени тонкой сенсорной обратной связи для адекватного контроля. Чувство осязания и проприоцепции имеют жизненно важное значение для выполнения ежедневных задач, и без этих, простые акты, такие как собирание чашку кофе становятся обременительными, как она полностью полагается на визуальные сигналы7,8,9. По этим причинам, передовые протезы связаны со значительной степенью умственной усталости и часто описываются как обременительные и неудовлетворительные5,10,11. Для решения этой проблемы, некоторые исследовательские лаборатории разработали протезы, способные обеспечить ограниченную степень сенсорной обратной связи через прямое нервное взаимодействие12,13,14,15, но обратная связь часто ограничивается небольшими, разбросанных областях на руках и пальцах12,13, и ощущения были отмечены болезненным и неестественным в разы15. Многие из этих исследований, к сожалению, отсутствие каких-либо заметных долгосрочных последующих и нервной гистологии, чтобы разграничить местные эффекты ткани, отмечая при этом отказ интерфейса в масштабе недель домесяцев 16.
Для этой популяции, идеальное протезное устройство обеспечит высокую точность управления двигателем наряду с значимой соматосенсорной обратной связи от окружающей среды человека на протяжении всей их жизни. Решающее значение для дизайна указанного идеального протеза является разработка стабильного, надежного интерфейса, который позволил бы одновременно передавать афферентную соматосенсорную информацию с эфферентными моторными сигналами. Наиболее перспективными из современных интерфейсов человека и машины являются те, которые взаимодействуют с периферической нервной системой напрямую, и последние разработки в области нейроинтегрированных протезов работали в направлении преодоления разрыва между биоэлектрическими и механическими сигналами17. Текущие интерфейсы используются включают в себя: гибкие нервные пластины14,15,18, вне-нейронных электродов манжеты13,19,20,21,22,23, ткани проникающие электроды24,25,31,32, и интрафасцилярные электроды26,27 ,28. Тем не менее, каждый из этих методов продемонстрировал ограничения в отношении нерва специфичность, повреждение тканей, аксонал дегенерация, истощение миелина, и / или образование рубцовой ткани, связанные с хроническим проживанием инородного тела ответ16,17,18,19. Совсем недавно, было постулировано, что водитель за возможной неудачи имплантированного электрода является значительное различие в модули Янг между электронным материалом и родной нервной ткани. Мозг ткани подлежит значительному микродвижения на ежедневной основе, и было теоретизировано, что сдвига стресс, вызванный различиями в модули молодых вызывает воспаление и в конечном итоге постоянные рубцы30,31,32. Этот эффект часто усугубляется в конечностях, где периферические нервы подвержены как физиологическому микродвижению, так и преднамеренному макродвижению конечностей. Из-за этого постоянного движения, разумно заключить, что использование полностью абиотических периферических нервных интерфейс не является идеальным, и интерфейс с биологическим компонентом будет более подходящим.
Для удовлетворения этой потребности в биологическом компоненте, наша лаборатория разработала интерфейс биотических нервов под управлением регенеративного периферического нервного интерфейса (RPNI) для интеграции трансected периферических нервов в остаточной конечности с протезным устройством. Изготовление RPNI включает хирургически имплантацию периферического нерва в аутологичным свободный мышечный трансплантат, который впоследствии реваскуляризирует и ренервирует. Наша лаборатория разработала этот биологический нервный интерфейс в течение последнего десятилетия, с успехом в усилении и передаче моторных сигналов в сочетании с имплантированными электродами в обоих животных и человеческих испытаний, что позволяет для подходящего протезного контроля с несколькими степенями свободы2,34. Кроме того, мы отдельно продемонстрировали сенсорную обратную связь с помощью периферических нервов, встроенных в кожные трансплантаты, называется дермальный сенсорный интерфейс (DSI)3,35. В более дистальных ампутации, используя эти конструкции одновременно возможно, как двигатель ные и сенсорные фасциклы в пределах целевого периферического нерва могут быть хирургически разделены. Однако, для более проксимальной ампутации уровня, это не представляется возможным из-за смешения моторных и сенсорных волокон. Композитный регенеративный интерфейс периферических нервов (C-RPNI) был разработан для более проксимальных ампутаций, и он включает в себя имплантацию смешанного сенсорного нерва в конструкцию, состоящую из свободного мышечного трансплантата, закрепленного на сегменте дермального трансплантата(рисунок 1). Периферийные нервы демонстрируют преференциальную целевую реиннервацию, таким образом, сенсорные волокна будут повторно иннервировать дермальный трансплантат и моторные волокна, мышечный трансплантат. Эта конструкция, таким образом, имеет возможность одновременно усиливать моторные сигналы, обеспечивая соматосенсорную обратную связь36 (рисунок 2),что позволяет реализовать идеальный, интуитивный, сложный протез.
Все эксперименты на животных проводятся с одобрения Комитета Мичиганского университета по использованию и уходу за животными.
ПРИМЕЧАНИЕ: Донор крысы имеют свободный доступ к пище и воде до кожи и мышечной процедуры донорства. Эвтаназия проводится под глубокой анестезией с последующим внутрисердечной инъекцией хлористого калия вторичным методом двусторонней пневмоторакса. Любой штамм крыс теоретически может быть использован с этим экспериментом; тем не менее, наша лаборатория добилась последовательных результатов как среди мужчин, так и у самков крыс Fischer F344 (200-250 г) в возрасте от двух до четырех месяцев. Донорские крысы должны быть изогенными для экспериментальных крыс.
1. Подготовка кожного трансплантата
2. Подготовка мышечного трансплантата
3. Общая изоляция нерва и подготовка
4. C-RPNI построить изготовление
Конструкция изготовления считается неудачным, если крысы развивают инфекцию или не выжить хирургической анестезии. Предыдущие исследования показали, что эти конструкции требуют примерно трех месяцев, чтобы реваскуляризировать и ренервировать2,
C-RPNI является новой конструкцией, которая обеспечивает одновременное усиление моторных сигналов нерва-мишени с предоставлением афферентной сенсорной обратной связи. В частности, C-RPNI обладает уникальной полезностью для тех, кто живет с проксимальными ампутациями, так как их двигатель?...
Авторы не раскрытии информации.
Авторы хотели бы поблагодарить Яну Мун за квалифицированную техническую помощь. Исследования, представленные в настоящем документе, финансировались за счет гранта R21NS104584, предоставляемого СК.
Name | Company | Catalog Number | Comments |
#15 Scalpel | Aspen Surgical, Inc | Ref 371115 | Rib-Back Carbon Steel Surgical Blades (#15) |
4-0 Chromic Suture | Ethicon | SKU# 1654G | P-3 Reverse Cutting Needle |
5-0 Chromic Suture | Ethicon | SKU# 687G | P-3 Reverse Cutting Needle |
6-0 Ethilon Suture | Ethicon | SKU# 697G | P-1 Reverse Cutting Needle (Nylon suture) |
8-0 Monofilament Suture | AROSurgical | T06A08N14-13 | Black polyamide monofilament suture on a threaded tapered needle |
Experimental Rats | Envigo | F344-NH-sd | Rats are Fischer F344 Strain |
Fluriso (Isofluorane) | VetOne | 13985-528-40 | Inhalational Anesthetic |
Micro Motor High Speed Drill with Stone | Master Mechanic | Model 151369 | Handheld rotary tool; kit comes with multiple fine grit stones |
Oxygen | Cryogenic Gases | UN1072 | Standard medical grade oxygen canisters |
Potassium Chloride | APP Pharmaceuticals | 63323-965-20 | Injectable form, 2 mEq/mL |
Povidone Iodine USP | MediChoice | 65517-0009-1 | 10% Topical Solution, can use one bottle for multiple surgical preps |
Puralube Vet Opthalmic Ointment | Dechra | 17033-211-38 | Corneal protective ointment for use during procedure |
Rimadyl (Caprofen) | Zoetis, Inc. | NADA# 141-199 | Injectable form, 50 mg/mL |
Stereo Microscope | Leica | Model M60 | User can adjust magnification to their preference |
Surgical Instruments | Fine Science Tools | Various | User can choose instruments according to personal preference or from what is currently available in their lab |
Triple Antibiotic Ointment | MediChoice | 39892-0830-2 | Ointment comes in sterile, disposable packets |
VaporStick 3 | Surgivet | V7015 | Anesthesia tower with space for isofluorane and oxygen canister |
Webcol Alcohol Prep | Coviden | Ref 6818 | Alcohol prep wipes; use a new wipe for each prep |
Запросить разрешение на использование текста или рисунков этого JoVE статьи
Запросить разрешениеThis article has been published
Video Coming Soon
Авторские права © 2025 MyJoVE Corporation. Все права защищены