Chirurgische Ausbildung für die Implantation der neokortikalen Mikroelektrode Arrays mit einem Formaldehyd-feste menschliche Kadaver-Modell

Zusammenfassung

Wir entwarfen ein Verfahren, in dem eine Formaldehyd-feste menschliche Kadaver ist, Neurochirurgen in der Ausbildung für die Implantation der Mikroelektrode Arrays in der Großhirnrinde des menschlichen Gehirns zu unterstützen.

Zusammenfassung

Dieses Protokoll beschreibt ein Verfahren zur Chirurgen in der Ausbildung für die Implantation der Mikroelektrode Arrays in der Großhirnrinde des menschlichen Gehirns zu unterstützen. Jüngsten technologischen Fortschritte ermöglichte die Herstellung der Mikroelektrode Arrays, die Aufzeichnung mehrerer einzelner Neuronen in der Großhirnrinde des menschlichen Gehirns zu ermöglichen. Diese Arrays haben das Potenzial, einzigartigen Einblick auf die neuronalen Korrelate der zerebralen Funktion in Gesundheit und Krankheit zu bringen. Darüber hinaus die Identifizierung und Dekodierung von willentlichen neuronaler Aktivität eröffnet die Möglichkeit, Gehirn-Computer Schnittstellen zu etablieren, und so könnte helfen, verlorene neurologische Funktionen wiederherzustellen. Die Implantation der neokortikalen Mikroelektrode Arrays ist ein invasives Verfahren erfordern eine supra-zentimeterlangen Kraniotomie und die Belichtung der kortikalen Oberfläche; Somit muss das Verfahren durch eine angemessen ausgebildete Neurochirurgen durchgeführt werden. Um eine Chance für chirurgische Ausbildung zu bieten, haben wir ein Verfahren basiert auf einem menschlichen Kadaver-Modell entwickelt. Die Verwendung von einem Formaldehyd fixiert menschliche Kadaver umgeht die praktischen, ethischen und finanziellen Schwierigkeiten der chirurgischen Praxis an Tieren (vor allem nicht-menschlichen Primaten) unter Beibehaltung der makroskopischen Struktur der Kopf, Schädel, Hirnhäute und zerebralen Oberfläche und ermöglicht realistische, OP-Saal-wie Positionierung und Instrumentierung. Darüber hinaus ist die Verwendung von einem menschlichen Kadaver näher an klinischen Praxis als jedes nichtmenschlichen Modell. Die größten Nachteile der cadaveric Simulation sind das Fehlen der zerebralen Pulsation und Zirkulation von Blut und Liquor cerebrospinalis. Wir empfehlen eine Formaldehyd-feste menschliche Kadaver-Modell ist eine angemessene, praktische und kostengünstige Ansatz, um angemessene chirurgische Ausbildung vor der Implantation Mikroelektrode Arrays in der lebenden menschlichen Neocortex zu gewährleisten.

Einleitung

Den letzten Jahren haben die Entwicklung von technologischen Lösungen für die Herausforderung der Aufzeichnung mehrerer einzelner Neuronen im Wohnzimmer gesehen^1,2,3des Gehirns. Silizium-basierten Mikroelektrode Arrays führen ebenso zu herkömmlichen Draht Mikroelektroden in Bezug auf die Signaleigenschaften, und sie können aus Dutzenden, Hunderten von Neuronen in einem kleinen Flecken des zerebralen Gewebe^4,5, aufzeichnen ^{6 , 7}. Mikroelektrode Arrays konnten Wissenschaftler herstellen die Korrespondenz zwischen neuronaler Aktivität im primären motorischen Kortex des Affen und Arm Bewegungen⁸, die wiederum einen Impuls für die Entwicklung von Gehirn-Computer zur Verfügung gestellt hat Schnittstellen (BCIs)⁹.

Mikroelektrode Arrays wurden beim Menschen in zwei Situationen verwendet: als chronische Implantate zu kontrollieren BCIs sowie Semi-chronische Implantate, die Aktivität von einzelnen Neuronen bei Patienten mit Epilepsie zu studieren. Chronische Implantate, gezielt funktionelle Darstellung der Hand im primären motorischen Kortex, haben Patienten mit Tetraplegie bis die Bewegung eines Roboterarms oder vom Computer Cursor^{10,11,12 Steuern erlaubt. ,13}. Semi-chronische Implantate eingefügt zusammen mit subduralen Electrocorticography (ECOG) Elektroden bei Patienten mit pharmakoresistente Epilepsie, die Kandidaten für Epilepsie Chirurgie¹⁴, ermöglichen Monoblock-Aufnahmen vor, während und nach der Anfälle, und haben damit begonnen, die Aufschluss über die Aktivität der einzelnen Neuronen während und zwischen epileptischen Anfällen^{15,16,17,18,19}. Mikroelektrode Arrays haben das Potenzial, die wesentlich zu einem besseren Verständnis der Funktionsweise des Gehirns durch eine Verbindung zwischen der Aktivität von Neuronen, auf der einen Seite und die Wahrnehmungen, Bewegungen und Gedanken des Menschen, in Gesundheit und in Krankheit, auf^20,21.

Silizium-basierten Mikroelektrode Arrays sind jetzt im Handel erhältlich und ihre Verwendung beim Menschen durch die Regulierungsbehörden in den USA in der semi-chronische Epilepsie Indikation genehmigt wurde. Aber diese Geräte sind invasive und müssen ins Gehirn eingesetzt werden. Die negativen Folgen der unsachgemäßen Einfügung Technik, über das Scheitern des Gerätes zu erfassen neuronaler Aktivität umfassen zerebrale Blutung und Infektion, mit dem Potential für lang anhaltende oder dauerhafte neurologische Dysfunktion. Obwohl die Komplikationsrate der Mikroelektrode Array Implantation derzeit unbekannt ist, ist die Rate der potenziell schwerwiegende Komplikationen bei der Implantation von intrakraniellen Elektroenzephalographie (EEG) Macroelectrodes 1-5 %^{22, 23}. daher die korrekte Implantation Mikroelektrode Arrays erfordert umfangreiche neurochirurgische Fertigkeiten und Verfahren-spezifisches Training.

Die Ansätze für Chirurgen, ihre Fähigkeiten mit Mikroelektrode Arrays in einer sicheren Umgebung zu verbessern sind nicht-menschlichen Säugetieren und menschlichen Leichen. Das ideale Trainings-Modell würde die Größe und Dicke des menschlichen Schädels originalgetreu wiederzugeben; die Zähigkeit und vaskuläre Verzweigung der Dura; Das Gyrification Muster, Konsistenz und Pulsation des menschlichen Gehirns; das Vorhandensein von Blut und Liquor cerebrospinalis zirkuliert; und die gesamte Positionierung des Themas in einem OP-Saal (OR)-wie die Umwelt. Tiermodelle müssen daher eine ausreichende Größe, den Chirurgen eine bedeutsame Erfahrung anzubieten. Große nicht-menschlichen Primaten am nächsten kommen, aber ihre Verwendung für chirurgische Ausbildung ist nicht nachhaltig sowohl aus ethischer Perspektive und weil sie teuer sind. Nagetiere geben aufgrund ihrer geringen Größe nicht berücksichtigt; auch Katzen oder Kaninchen die Verwendung bedeutet eine OR-ähnlichen Umgebung deutlich abweichende.

Menschliche Leichen stellen eine attraktive Alternative dar. Ihre Vorteile sind lebensechte Größe und Form des Kopfes und des Gehirns sowie die Möglichkeit, chirurgische Ausbildung in einer OR-ähnlichen Umgebung einzurichten. Die offensichtlichsten Abweichungen von einer realistischen Situation sind das Fehlen von zerebralen Pulsationen und Blutungen und die Veränderungen in Aussehen und Konsistenz des Körpergewebes, die speziell für die Technik, die für Kadaver Erhaltung²⁴. Tiefkühlfrische Kadaver zu bewahren, die Konsistenz und Flexibilität vieler Organe und Gewebe zu einem gewissen Grad, aber sie haben mehrere Nachteile: sie beginnen erniedrigender als Auftauen beginnt, so dass das Gehirn auch für das Einfügen von einer Mikroelektrode abgebaut wird Array realistisch durchgeführt werden, und sie sind eine relativ seltene und teure Ressource. Formaldehyd-feste Leichen, auf der anderen Seite sind erschwinglicher und verfügbar und viel haltbarer, auf Kosten der verhärteten Gewebe Konsistenz.

Hier schaffen wir eine Prozedur mit einem Formaldehyd-feste menschliche Kadaver Modell neurochirurgische Ausbildung für die Implantation eines neokortikalen Mikroelektrode Arrays bieten. Unser Ansatz ermöglicht realistische, OR-wie Positionierung und Instrumentierung; Kraniotomie und Durotomy und Aussetzen der neokortikalen Oberfläche; Befestigung des Elektrode-Sockels auf dem benachbarten die Kraniotomie Schädelknochen; und in der Großhirnrinde mit einer pneumatischen Impaktor²⁵Mikroelektrode Array einfügen. Entscheidend ist, ermöglicht es Chirurgen, die präzise Ausrichtung des Mikroelektrode Arrays zu üben (die mit der Elektrode Sockel durch ein Bündel von einzeln isolierte Golddrähte verbunden ist) parallel zu der neokortikalen Oberfläche²⁶. Unser Protokoll repliziert treu die Angabe der Mikroelektrode Array Implantation zusammen mit ECOG-Implantation bei Patienten, die Kandidaten für die Epilepsiechirurgie sind. Die Angaben über die Implantation Operation werden maßgeblich durch die genaue Art der Mikroelektrode Array beeinflusst; Hier beschreiben wir die Vorgehensweise für ein Array, das vor kurzem die Zulassung für den Einsatz beim Menschen in den USA erhalten. Das so genannte Utah-Array umfasst ein 4 x 4 mm, 100 Mikroelektrode Gitter; eine transkutane Sockel, der mit der externen Tabelle des Schädels verbunden ist; und die beiden verbindet eine Draht-Bundle.

Protokoll

Die menschliche Kadaver in diesem Werk verwendet wurde im Rahmen der Körper Spenden für die medizinische Ausbildung zur Verfügung gestellt. Einwilligung für Körper Spende wurde zu Lebzeiten des Spenders schriftlich eingeholt. Übereinstimmung mit den eidgenössischen und kantonalen Gesetzen war keine Überprüfung von einer Ethikkommission erforderlich.

Hinweis: Dieses Protokoll setzt voraus, dass die Personen, die die Praxis Chirurgie Neurochirurgen mit Ausbildung und Erfahrung in neurochirurgischen Standardverfahren, einschließlich Patientenlagerung und Kopf-Fixierung, Kraniotomie und Durotomy und nähen. Zusätzlich zu den Werkzeugen und Ausrüstung speziell für das Array Mikroelektrode neurochirurgischen Standardwerkzeuge und Ausrüstung verwendet.

1. Auswahl der Kadaver und Einrichtung des OP-Saal

1. Wählen Sie ein Exemplar mit keine Geschichte der Erkrankung oder Verletzung auf den Kopf, Schädel und Gehirn.
   1. Durchführen Sie einen Computertomographie (CT) Scan den Kadaver Kopf um sicherzustellen, dass es keine signifikanten intrakraniellen Läsion (Abbildung 1A), z. B. chronische subdurale Hämatom oder eine Intra-axial ausgedehnte Läsion optional. Identifizieren Sie mit Hilfe der CT-Scan, einen kortikalen Zielbereich für die Implantation des Mikroelektrode Arrays (z. B. "Hand Knopf" Bereich der precentral Gyrus, entspricht die Darstellung der Hand in den primären motorischen Kortex²⁷, im Falle der Ausbildung für die Implantation von einem BCI).
2. Position-Kadaver in seitlichen Dekubitus auf einem Operationstisch. Verwenden Sie einen OP-Tisch, anstatt eine Dissektion Tabelle um den Realismus der OR-ähnlichen Umgebung hinzuzufügen und erleichtert die Fixierung der Schädel Klemme und pneumatische Impaktor. Positionieren Sie den Kadaver in seitlichen Dekubitus, um der Fronto-zeitliche Ansatz in einem Formaldehyd-feste Kadaver zu ermöglichen, in denen Hals Drehung beschränkt ist.
3. Befestigen Sie den Kopf in die Schädel-Klemme (Abbildung 1 b). Decken Sie mit OP-Tüchern (Abbildung 1).
   Hinweis: In unserem Fall sind die hinteren Stifte Skull Clamp ungewöhnlich positioniert in der Sagittalebene des Kopfes (siehe Abbildung 1 b), da wir eine Schädel-Klammer verwendet, die für chirurgische Ausbildungszwecke ein cadaveric Kopf vom Rest getrennt halten geändert worden des Körpers.
   1. Bei Verwendung eine standard-Schädel-Klemme auf einem Operationstisch legen Sie die hinteren Stifte sichern den Kopf senkrecht auf der Sagittalebene.

2. Exposition der neokortikalen Oberfläche

1. Einzuschneiden Sie die Kopfhaut mit einem Skalpell, nach einem Fragezeichen Schnitt das zeitliche aussetzen und Stirnbeine. Die Temporalis Muskel an der hinteren Kante des Schnittes zu sezieren. Lehnen Sie die Kopfhaut und Temporalis Muskel durch stumpfe Dissektion (Abbildung 1).
2. Führen Sie eine große quadratische Fronto-zeitliche Kraniotomie, z.B. 5 x 5 cm (Abbildung 2A). Zu diesem Zweck die Bohrungen Sie vier Grat an den Ecken des beabsichtigten Kraniotomie. Verwenden Sie dann die Craniotome der Grat Löcher verbinden. Entfernen Sie die Knochen-Klappe mit einem Spatel, Freilegung der Dura Mater. Die Knochen-Klappe in Kochsalzlösung aufbewahren.
3. Öffnen Sie die Dura Mater an drei Seiten von der Kraniotomie mit Dura Schere (Abb. 2 b). Lehnen Sie sich zurück es und setzen die Arachnoidea Membran und die Oberfläche des zerebralen Neocortex (Abbildung 2).

3. Befestigung des Sockels Elektrode

1. Wählen Sie einen kortikalen Gyrus, wo der Mikroelektrode Array implantiert werden. Wählen Sie eine Windung Fläche, die etwa flach ist, so dass der Mikroelektrode Array wird bündig mit dem Einlegen liegen. Sicherstellen Sie, dass es keine sichtbaren Blutgefäß Coursing auf der kortikalen Oberfläche an der Mikroelektrode Array eingefügt wird.
2. Wählen Sie einen Standort für die Befestigung des Sockels Elektrode am Rande überlegene Kraniotomie, in der Nähe der Hautschnitt und ausreichend Spielraum für die Draht-Bundle zu ermöglichen, so dass der Mikroelektrode Array der Gyrus Ziel erreichen kann. Schrauben Sie den Sockel auf der externen Tabelle der Schädelknochen neben der Kraniotomie (Abb. 2D). Verwenden Sie 6 bis 8 Kortikalis Blechschrauben (6 mm Länge, 2 mm Durchmesser), um geeignete Befestigung zu gewährleisten.
   1. Bei der Bearbeitung des Sockels, darauf achten, dass der Mikroelektrode Array nicht etwas (es ist möglicherweise beschädigt oder könnte die neokortikale Oberfläche zerfleischen berührt) von hält das Draht-Bündel in der Nähe der Mikroelektrode-Array mit einer Pinzette mit Kunststoff - oder gummierte Tipps (Abb. 2E).

(4) Positionierung und Einfügung des Mikroelektrode Arrays

1. Positionieren Sie das Mikroelektrode Array parallel zur Oberfläche des Ziel-Gyrus. Biegen Sie das Draht-Bundle als für diesen Zweck (Abbildung 3A) notwendig.
   Hinweis: Die steifen Draht-Bundle nicht leicht der Chirurg Wünschen entspricht. Sorgfalt und Geduld sind erforderlich, um gute Ausrichtung der Mikroelektrode Array und kortikalen Oberfläche zu erhalten.
   1. Optional verwenden Sie "Hundeknochen" Titan Riemen, um den Draht-Bundle mit dem Schädel sichern und überwachen Sie ihren Kurs in Richtung Ziel Gyrus. Schrauben Sie den Gurt nicht zu eng zur Vermeidung von Schäden die Draht-Bundle.
2. Bringen Sie die pneumatische Impaktor in ungefähre Ausrichtung mit der Rückseite des Mikroelektrode Arrays (Abb. 3 b). Kontrollieren Sie die Anschlüsse der pneumatischen Impaktor an die Steuereinheit zu, und schalten Sie das Steuergerät.
   Hinweis: Achten Sie darauf, dass die pneumatische Impaktor mindestens 5 mm vom Array ist bevor das Steuergerät einschalten, wie pneumatische Impaktor ausgelöst werden könnte, wenn eingeschaltet.
3. Verwenden Sie die millimetric Schrauben von der pneumatischen Impaktor Halter der Impaktor Angleichung an der Rückseite des Mikroelektrode Arrays (Abb. 3 bEinschub) zu verfeinern. Mit der Impaktor, ein Ausflug Abstand und druckgesteuerte Hahn auf der Rückseite des Arrays Mikroelektrode und stecken Sie es in der kortikalen Oberfläche, die Arachnoidea Membran durchschieben.
   Hinweis: Überprüfen Sie, dass das Array Mikroelektrode bündig mit der kortikalen Oberfläche ist.

(5) Positionierung des subduralen ECOG-Rasters

Hinweis: Dieser Schritt ist optional.

1. Positionieren Sie eine subdurale ECOG-Raster über die freiliegende kortikalen Oberfläche (Abbildung 3D). Entfernen Sie ggf. Elektroden durch Schneiden durch das Gitter, so dass die Gesamtform des Rasters ECOG die Kraniotomie passt.
2. ECOG-Raster zu orientieren, so dass die Drähte der Dura Mater und Schädel kranial oder nach hinten austreten.
3. Bewässern Sie ECOG-Raster mit Kochsalzlösung, bevor sie in Kontakt mit der kortikalen Oberfläche platziert.
4. Sichern der ECOG-Raster durch auf die Dura Mater an den Rändern der Durotomy vernähen.

6. Neupositionierung und Schließung der Dura Mater, Knochen-Klappe und Hautlappen

1. Die Dura Mater zurück über die freiliegende kortikalen Oberfläche zu reflektieren und an den Rändern der Durotomy Naht.
2. Schrauben Sie "Hundeknochen" Titan Riemen auf die Kanten der Knochen-Klappe mit selbstschneidenden Schrauben der Kortikalis. Positionieren Sie die Knochen Klappe innerhalb der Kraniotomie. Die Knochen-Klappe zu benachbarten Schädelknochen mit den "Hundeknochen" Titan Riemen und selbstschneidenden Schrauben der Kortikalis zu sichern. Achten Sie darauf, nicht um das Draht Bündel Mikroelektrode Array (und denen des Rasters optional ECOG) zwischen Knochen Kanten zu vernichten.
3. Reflektieren und die Hautlappen Naht. Schließen Sie den Hautschnitt um den Hals des Sockels Elektrode (Abbildung 3E).
   1. Alternativ können Sie die Sockel an die Kopfhaut durch eine separate Stichinzision gemacht in die Kopfhaut Lasche Brandschutzzeichen.

Ergebnisse

Unser Protokoll verwendet ein Formaldehyd fixiert menschliche Kadaver-Modell ermöglicht Chirurgen, den chirurgischen Eingriff der Implantation einer Mikroelektrode Array in der zerebralen Neocortex in einer realistischen, OR-ähnliche Umgebung zu üben. Die Möglichkeit der Durchführung von Post-Mortem-Neuroimaging, wie Kopf CT, bestätigt das Fehlen jeder bedeutenden intrakraniellen Läsion (Abbildung 1A) und helfen bei der Auswahl des Standortes. Mit einer gesamten Probe arbeiten und ein...

Diskussion

Das Formaldehyd fixiert menschliche Kadaver-Modell und dem hier beschriebenen chirurgischen Protokoll repliziert den chirurgischen Eingriff der menschlichen zerebralen Neocortex Mikroelektrode Arrays implantiert. Jeden Schritt des Verfahrens, einschließlich der Positionierung des Arrays Mikroelektrode und seine Einführung mit der pneumatischen Inserter gehen in fast der gleichen Weise wie in einem realen Patienten, mit der Ausnahme, dass zerebrale Pulsation und Zirkulation sind nicht vorhanden. Die entscheidenden Schri...

Materialien

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