Name: surgical training for the implantation of neocortical microelectrode arrays using a formaldehyde-fixed human cadaver model
Uploaded: 2017-11-19T13:00:00
Description: Watch this Scientific Journal Video about Surgical Training for the Implantation of Neocortical Microelectrode Arrays Using a Formaldehyde-fixed Human Cadaver Model at JoVE.com

Forfatterne er taknemmelig for, at Dr. Rob Franklin (Blackrock Microsystems), Prof. Margitta Seeck (Division of Neurology, Genève universitetshospitaler, Genève, Schweiz), Dr. Andrea Bartoli og Prof. Karl Schaller (Division af Neurokirurgi, Geneve Universitet Hospitaler, Genève, Schweiz), og Mr. Florent Burdin og Prof. John P. Donoghue (Wyss Center for Bio- og Neuroengineering, Genève, Schweiz) for deres støtte ved udarbejdelsen af den nuværende arbejde.

Den menneskelige Kadaver bruges i dette arbejde blev fastsat inden for rammerne af kroppen donationer for medicinsk uddannelse. Blev indhentet informeret samtykke til kroppen donation skriftligt i løbet af donor. I overensstemmelse med de føderale og kantonalt love var ingen anmeldelse af en etisk komité nødvendigt.
Bemærk: Denne protokol forudsætter, at de personer, der udfører praksis kirurgi er neurokirurger med uddannelse og ekspertise i standard neurokirurgiske procedurer, herunder...

Formaldehyd-fast menneskelige Kadaver model og kirurgisk protokollen beskrevet her replikere den kirurgiske procedure af implanterer mikroelektrode arrays i den menneskelige cerebral neocortex. Hvert trin i proceduren, herunder placering af mikroelektrode array og dens indsættelse med den pneumatiske inserter, fortsætte på næsten samme måde som i en virkelige liv patient, med undtagelsen at cerebral pulsering og omsætning er fraværende. De kritiske trin i protokollen er justeringen af mikroelektrode array med neoc...

De seneste år har set en udvikling af teknologiske løsninger til udfordring registrere aktiviteten af flere individuelle neuroner i levende hjerne1,2,3. Silicium-baserede mikroelektrode arrays udfører tilsvarende til konventionelle wire microelectrodes i form af signal egenskaber, og de kan optage fra snesevis til hundredvis af neuroner i en lille plet af cerebral væv4,5, 6 , 7. mikroelektrode arrays har tilladt forskere at fastslå overensstemmelsen mellem neurale aktivitet i den primære motor cortex af aber og arm bevægelser8, som igen har givet et løft til udviklingen af hjerne-computer grænseflader (BCIs)9.
Mikroelektrode arrays har været brugt i mennesker i to situationer: som kronisk implantater til at styre BCIs og semi-kronisk implantater til at studere aktivitet af individuelle neuroner i patienter, der lider af epilepsi. Kronisk implantater, rettet mod den funktionelle repræsentation af hånd i primære motor cortex, have tilladt patienter lider af tetraplegi til at kontrollere bevægelse af en robotarm eller computer markører10,11,12 ,13. Semi-kronisk implantater, indsat sammen med subduralt electrocorticography (ECOG) elektroder i patienter med resistente epilepsi, der er kandidater til epilepsi kirurgi14, tillade single-enhed optagelser før, under og efter anfald, og er begyndt at kaste lys over aktiviteten af enkelt neuroner under og i mellem epileptiske anfald15,16,17,18,19. Mikroelektrode arrays har potentiale til at forbedre vores forståelse af hvordan hjernen fungerer ved at etablere en sammenhæng mellem aktiviteten af neuroner, på den ene side og de opfattelser, bevægelser og tanker om mennesker, både i sundhed og sygdom, på de andre20,21.
Silicium-baserede mikroelektrode arrays er nu tilgængelige kommercielt og deres brug i mennesker er blevet godkendt af de regulerende myndigheder i USA i semi-kronisk epilepsi indikationen. Men disse enheder er invasive og sættes ind i hjernen. De negative konsekvenser af forkert indsættelse teknik, ud over manglende enhed til at optage neuronal aktivitet, omfatte cerebral blødning og infektion med potentiale for langvarige eller permanente neurologiske dysfunktion. Selv om komplikation satsen af mikroelektrode array implantation er i øjeblikket ukendt, er potentielt alvorlige komplikationer under implantation af intrakranielle electroencefalografi (EEG) macroelectrodes 1-5%22, 23. derfor ordentlig implantation af mikroelektrode arrays kræver både omfattende neurokirurgiske færdigheder og proceduren-specifik træning.
Tilgange til kirurger til at finpudse deres færdigheder med mikroelektrode arrays i et sikkert miljø omfatter ikke-menneskelige pattedyr og menneskelige kadavere. Den ideelle uddannelsesmodel ville trofast reproducere størrelse og tykkelse af den menneskelige kranium; sejhed og vaskulære forgrening af dura; gyrification mønster, konsistens og pulsering af den menneskelige hjerne; tilstedeværelsen af cirkulerende blod og cerebrospinalvæske; og den samlede placering af emnet i en operationsstue (OR)-ligesom miljø. Dyremodeller skal således være af en tilstrækkelig størrelse til at give en meningsfuld oplevelse at kirurgerne. Store ikke-menneskelige primater kommer nærmeste, men deres brug for kirurgisk oplæring er uholdbar både ud fra et etisk perspektiv, og fordi de er dyre. Gnavere indtaster ikke overvejelse på grund af deres lille størrelse; bruger selv katte eller kaniner indebærer afviger væsentligt fra en OR-lignende miljø.
Menneskelige kadavere repræsenterer et attraktivt alternativ. Deres fordele omfatter muligheden for oprettelse af kirurgiske uddannelse i en OR-lignende miljø liv-lignende størrelse og form af hoved og hjerne. De mest oplagte afgange fra en realistisk situation er manglen på cerebral pulseringer og blødning og ændringer i aspekt og konsistens af kroppens væv, der er specifikke for teknikken ansat for Kadaver bevarelse24. Frisk frosset kadavere bevare sammenhæng og fleksibilitet af mange organer og væv til en vis grad, men de har flere ulemper: de starter nedværdigende som optøning begynder, så hjernen bliver også forringet for indsættelse af en mikroelektrode array skal udføres realistisk, og de er en relativt sjældne og dyre ressource. Formaldehyd-fast kadavere, på den anden side er mere overkommelige og tilgængelige og langt mere holdbare, på bekostning af hærdet væv konsistens.
Her, etablere vi en procedure, ved hjælp af en formaldehyd-fast menneskelige Kadaver model til en neurokirurgiske uddannelse implantation af en neocortical mikroelektrode array. Vores tilgang giver realistiske, OR-lignende positionering og instrumentation; udfører kraniotomi og durotomy og udsætte neocortical overfladen; vedhæfter elektrode piedestal på kraniet knoglen tilstødende kraniotomi; og indsætte mikroelektrode array i neocortex med en pneumatisk Slaglegemet25. Kritisk, det giver mulighed for kirurger til at praktisere den præcise justering af matrixen mikroelektrode, (som er tilsluttet den elektrode piedestal af et bundt af individuelt isoleret guld tråde) parallelt med den neocortical overflade26. Vores protokol replikater trofast angivelse af mikroelektrode array implantation sammen med ECOG implantation i patienter, der er kandidater til epilepsi kirurgi. Oplysninger om implantation kirurgi påvirkes betydeligt af den nøjagtige type af mikroelektrode array; her, beskrive vi proceduren for en matrix, der for nylig modtaget myndighedsgodkendelse til brug i mennesker i USA. Den såkaldte Utah array består af en 4 x 4 mm, 100 mikroelektrode gitter; en transkutan piedestal, der er knyttet til den eksterne tabel af kraniet; og en wire bundt forbinder to.

<table border="0" cellpadding="0" cellspacing="0" width="974">
	<tbody>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:273px;">Mayfield skull clamp</td>
			<td style="width:373px;">Integra LifeSciences, Cincinnati, OH</td>
			<td style="width:161px;">A1059</td>
			<td style="width:167px;"></td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:273px;">Midas Rex MR7 system for craniotomy</td>
			<td style="width:373px;">Medtronic, Minneapolis, MN</td>
			<td style="width:161px;">EC300</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:273px;">Dura scissors</td>
			<td style="width:373px;">Sklar Surgical Instruments, West Chester, PA</td>
			<td style="width:161px;">22-2742</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:273px;">Self-tapping bone screws</td>
			<td style="width:373px;">OrthoMed Inc., Tigard, OR</td>
			<td style="width:161px;">OM SYN211806</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:273px;">Microelectrode array and pedestal</td>
			<td style="width:373px;">Blackrock Microsystems, Salt Lake City, UT</td>
			<td style="width:161px;">LB-0612</td>
			<td>Mock-up arrays are available from the manufacturer upon request</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:273px;">Pneumatic impacter</td>
			<td style="width:373px;">Blackrock Microsystems, Salt Lake City, UT</td>
			<td style="width:161px;">LB-0088</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:273px;">64-channel electrocorticography grid</td>
			<td style="width:373px;">Ad-Tech Medical Instrument Corporation, Racine, WI</td>
			<td style="width:161px;">FG64C-SP10X-0C6</td>
			<td>Optional</td>
		</tr>
	</tbody>
</table>

surgical training for the implantation of neocortical microelectrode arrays using a formaldehyde-fixed human cadaver model

Denne protokol beskriver en procedure for at bistå kirurger under uddannelse til implantation af mikroelektrode arrays til neocortex af den menneskelige hjerne. De seneste teknologiske fremskridt har aktiveret fabrikation af mikroelektrode arrays, der giver mulighed for optagelse aktiviteten af flere individuelle neuroner i neocortex af den menneskelige hjerne. Disse arrays har potentiale til at bringe unikke indsigt på de neuronale korrelerer af cerebral funktion i sundhed og sygdom. Desuden, identifikation og afkodning af viljesmæssige neuronal aktivitet åbner mulighed for at etablere brain computer interfaces, og dermed kan bidrage til at genoprette tabt neurologiske funktioner. Implantation af neocortical mikroelektrode arrays er en invasiv procedure, der kræver en supra centimetric kraniotomi og eksponering af kortikale overflade; således, proceduren, der skal udføres af en tilstrækkeligt uddannet neurokirurg. For at give mulighed for kirurgiske uddannelse, designet vi en procedure baseret på menneskelige Kadaver model. Brug af en formaldehyd-fast menneskelige Kadaver omgår de praktiske, etiske og økonomiske vanskeligheder i kirurgisk praksis på dyr (især ikke-menneskelige primater) samtidig bevare den makroskopiske struktur af hoved, kraniet, hjernehinderne og cerebral overflade og giver mulighed for realistisk, operationsstuen-lignende positionering og instrumentation. Desuden er brug af en menneskelig Kadaver tættere på klinisk daglig praksis end enhver ikke-menneskelige model. De store ulemper ved dødt simuleringen er fravær af cerebral pulsering og blod og cerebrospinalvæske omsætning. Vi foreslår, at formaldehyd-fast menneskelige Kadaver model er en passende, praktisk og omkostningseffektiv tilgang at sikre ordentlig kirurgiske uddannelse før implanterer mikroelektrode arrays i levende menneskelige neocortex.

Vores protokol bruger en formaldehyd-fikseret menneskelige Kadaver model til at give kirurger til at praktisere den kirurgiske procedure af implanterer en mikroelektrode array ind cerebral neocortex i et realistisk og OR-lignende miljø. Mulighed for at udføre post mortem neuroimaging, såsom head CT, vil bekræfte fravær af enhver betydelig intrakraniel læsion (figur 1A) og kan hjælpe med valg af webstedet implantation. Arbejder med en hele modellen og opsætning for kirurgi på en oper...

Watch this Scientific Journal Video about Surgical Training for the Implantation of Neocortical Microelectrode Arrays Using a Formaldehyde-fixed Human Cadaver Model at JoVE.com

Surgical Training for the Implantation of Neocortical Microelectrode Arrays Using a Formaldehyde-fixed Human Cadaver Model

Kirurgiske uddannelse til Implantation af Neocortical mikroelektrode Arrays ved brug af en formaldehyd-fast menneskelige Kadaver Model

Vi har udviklet en procedure, hvor en formaldehyd-fast menneskelige Kadaver bruges til at hjælpe neurokirurger i uddannelse til implantation af mikroelektrode arrays til neocortex af den menneskelige hjerne.

This protocol describes a procedure to assist surgeons in training for the implantation of microelectrode arrays into the neocortex of the human brain. ...

Research

JoVE Journal

Medicine

A Murine Model of Muscle Training by Neuromuscular Electrical Stimulation

En musemodel for muskeltræning ved Neuromuskulær elektrisk stimulering

Neuromuscular electrical stimulation (NMES) is a common clinical modality that is widely used to restore1, maintain2 or enhance3-5 muscle functional ...

A Murine Model of Stent Implantation in the Carotid Artery for the Study of Restenosis

En musemodel af Stent Implantation i halspulsåren for Studiet af Restenosis

Despite  the considerable progress made in the stent development in the last decades,  cardiovascular diseases remain the main cause of death in western ...

Renal Capsule Xenografting and Subcutaneous Pellet Implantation for the Evaluation of Prostate Carcinogenesis and Benign Prostatic Hyperplasia

Renal Capsule Xenografting og subkutane Pellet Implantation for Vurdering af prostata Carcinogenesis og benign prostatahyperplasi

New therapies for two common prostate diseases,  prostate cancer (PrCa) and benign prostatic hyperplasia (BPH), depend  critically on experiments ...

Implantation of Inferior Vena Cava Interposition Graft in Mouse Model

Implantation af ringere Vena Cava indskydning Graft i musemodel

Biodegradable scaffolds seeded with bone marrow mononuclear cells (BMCs) are often used for reconstructive surgery to treat congenital cardiac anomalies. ...

Using Saccadometry with Deep Brain Stimulation to Study Normal and Pathological Brain Function

Brug Saccadometry med Deep Brain Stimulation at studere normal og patologisk Brain Function

The oculomotor system involves a large number of brain areas including parts of the basal ganglia, and various neurodegenerative diseases including ...

Generation of a Humanized Mouse Liver Using Human Hepatic Stem Cells

Generering af en humaniseret Mouse Lever Brug humane lever Stamceller

A novel animal model involving chimeric mice with humanized livers established via human hepatocyte transplantation has been developed. These mice, in ...

Induction of Accelerated Atherosclerosis in Mice: The "Wire-Injury" Model

Induktion af accelereret åreforkalkning i Mus: Den "Wire-Skade" Model

Atherosclerosis is a proliferative fibro-inflammatory disease developing in the arterial wall, inducing a deficient blood flow or a lack of blood flow. ...

Integrated Compensatory Responses in a Human Model of Hemorrhage

Integrerede Kompenserende respons i et menneske Model of Blødning

Hemorrhage is the leading cause of trauma-related deaths, partly because early diagnosis of the severity of blood loss is difficult. Assessment of ...

A Rat Model of Orthotopic Liver Transplantation Using a Novel Magnetic Anastomosis Technique for Suprahepatic Vena Cava Reconstruction

En rotte Model af Orthotopic levertransplantation ved hjælp af en roman magnetiske anastomose teknik for Suprahepatic Vena Cava genopbygning

The rat model of orthotopic liver transplantation (OLT) is essential for transplant research. It is a very sophisticated animal model and requires a steep ...

Model Surgical Training: Skills Acquisition in Fetoscopic Laser Photocoagulation of Monochorionic Diamniotic Twin Placenta Using Realistic Simulators

Model kirurgiske uddannelse: Kompetenceudvikling i Fetoscopic Laser fotokoagulation af Monochorionic Diamniotic Twin moderkagen ved hjælp af realistiske simulatorer

Fetoscopic laser coagulation of arterio-venous anastomoses (AVA) in a monochorionic placenta is the standard of care for twin-twin transfusion syndrome ...