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

Los autores agradecemos al Dr. Rob Franklin (Blackrock Microsystems), Prof. Margitta Seeck (División de Neurología, hospitales universitarios de Ginebra, Ginebra, Suiza), Dr. Andrea Bartoli y Prof. Karl Schaller (División de Neurocirugía, Universidad de Ginebra Hospitales, Ginebra, Suiza) y el Sr. Florent Burdin y Prof. John P. Donoghue (Wyss centro Bio y centro, Ginebra, Suiza) por su apoyo en la elaboración del presente trabajo.

El cadáver humano utilizado en este trabajo fue proporcionado en el marco de las donaciones de cuerpo para la educación médica. Consentimiento informado para la donación de cuerpo se obtuvo por escrito durante la vida del donante. Acuerdo con las leyes federales y cantonales, revisión por un Comité de ética no era necesaria.
Nota: Este protocolo asume que las personas realizando la cirugía práctica son neurocirujanos con formación y experiencia en procedimientos neuroquirúrgicos, in...

El modelo de cadáver humano formaldehído-fija y el protocolo quirúrgico descrito aquí replican el procedimiento quirúrgico de implantación de arreglos de microelectrodos en la corteza cerebral humana. Cada paso del procedimiento, incluyendo la colocación de la matriz de microelectrodos y su inserción con el elemento de inserción neumática, proceder de casi la misma manera como en un paciente de la vida real, con la excepción eso pulsación cerebral y la circulación están ausentes. Los pasos críticos en el p...

Últimos años han visto el desarrollo de soluciones tecnológicas para el reto de registrar la actividad de neuronas individuales múltiples en la vida del cerebro1,2,3. Arreglos de microelectrodos basados en silicio realizan de manera similar a los microelectrodos de alambre convencional en términos de propiedades de la señal, y puede grabar desde decenas a cientos de neuronas en un pequeño trozo de tejido cerebral4,5, 6 , 7. arreglos de microelectrodos han permitido a los científicos establecer la correspondencia entre la actividad neuronal en la corteza de motor primaria de monos y brazo movimientos8, que a su vez ha proporcionado un impulso al desarrollo del cerebro-computadora interfaces (BCIs)9.
Arreglos de microelectrodos se han utilizado en seres humanos en dos situaciones: como crónica implantes para control de BCIs y semi-crónicos implantes para estudiar la actividad de neuronas individuales en pacientes que sufren de epilepsia. Crónica implantes, dirigida a la representación funcional de la mano en corteza primaria del motor, han permitido que pacientes que sufren de tetraplegia para controlar el movimiento de un brazo robótico o de ordenador cursores10,11,12 ,13. Implantes semi-crónicos, insertados junto con electrodos subdurales electrocorticography (ECOG) en pacientes con epilepsia resistente a fármacos que son candidatos a cirugía de epilepsia14, permiten grabaciones de una sola unidad, antes, durante y después de las convulsiones, y han comenzado a arrojar luz sobre la actividad de neuronas individuales durante y entre las crisis epilépticas15,16,17,18,19. Arreglos de microelectrodos tienen el potencial para mejorar significativamente nuestra comprensión de cómo el cerebro funciona mediante el establecimiento de un vínculo entre la actividad de las neuronas, por un lado y las percepciones, movimientos y pensamientos de los seres humanos, tanto en salud como en enfermedad, en los otros20,21.
Arreglos de microelectrodos basados en silicio ya están disponibles comercialmente y su uso en seres humanos ha sido aprobado por las autoridades reguladoras en los E.e.u.u. en la indicación de la crónica de la epilepsia. Sin embargo, estos dispositivos son invasivos y deben introducirse en el cerebro. Las consecuencias negativas de la técnica de inserción incorrecta, más allá de la falta del dispositivo a registrar actividad neuronal, incluyen hemorragia cerebral y la infección, con la posibilidad de disfunción neurológica permanente o de larga duración. Aunque la tasa de complicaciones de la implantación de microelectrodos matriz es actualmente desconocida, la tasa de complicaciones potencialmente graves durante la implantación de macroelectrodes intracraneal electroencefalografía (EEG) es de 1-5%22, 23. por lo tanto, la adecuada implantación de arreglos de microelectrodos requiere amplias habilidades neuroquirúrgicas y formación específica para el procedimiento.
Los enfoques disponibles para los cirujanos perfeccionar sus habilidades con arreglos de microelectrodos en un entorno seguro son mamíferos no humanos y cadáveres humanos. El modelo de entrenamiento ideal sería reproducir fielmente el tamaño y el grosor del cráneo humano; la dureza y la ramificación vascular de la duramadre; el patrón gyrification, consistencia y pulsaciones del cerebro humano; la presencia de circulación de sangre y líquido cerebroespinal; y el posicionamiento global del tema en una sala de operaciones (OR)-como el medio ambiente. Así, los modelos animales tienen que ser de un tamaño suficiente para proporcionar una experiencia significativa para los cirujanos. Grandes primates no humanos más cercanos, pero su uso para entrenamiento quirúrgico es insostenible tanto desde una perspectiva ética y porque son caros. Roedores no entran en consideración debido a su pequeño tamaño; utilizando gatos o conejos implica divergir considerablemente de un entorno de OR-como.
Cadáveres humanos representan una alternativa atractiva. Sus ventajas incluyen la vida como tamaño y forma de la cabeza y el cerebro y la posibilidad de establecer entrenamiento quirúrgico en un ambiente de OR. Las salidas más obvio de una situación realista están la ausencia de pulsaciones cerebrales y hemorragia y las modificaciones en el aspecto y la consistencia de los tejidos corporales que son específicos de la técnica empleada para la preservación de cadáveres24. Fresco congelado cadáveres preservan la consistencia y flexibilidad de muchos órganos y tejidos hasta cierto punto, pero tienen varios inconvenientes: empiezan a degradar como deshielo comienza, de modo que el cerebro se convierte en demasiado degradado para la introducción de un microelectrodo matriz a realizar de manera realista y son un recurso relativamente raro y costoso. Formaldehído-fija de cadáveres, por el contrario, son más asequibles y disponibles y mucho más durable, a expensas de la consistencia del tejido endurecido.
Aquí, estableceremos un procedimiento que utiliza un modelo de cadáver humano formaldehído-fija formación neuroquirúrgica para la implantación de una matriz de microelectrodos neocortical. Nuestro enfoque permite realista, OR-como posicionamiento e instrumentación; realizar la craneotomía y la durotomía y exponiendo la superficie neocortical; sujetar el pedestal del electrodo hasta el hueso del cráneo vecino la craneotomía; e insertando la matriz de microelectrodos en la corteza con un impactador neumático25. Críticamente, permite a los cirujanos practicar una alineación exacta de la matriz de microelectrodos (que está conectada con el pedestal de electrodo por un paquete de alambres individualmente aislados de oro) paralelo a la superficie neocortical26. Nuestro protocolo reproduce fielmente la indicación de implantación de microelectrodos matriz junto con implantación de ECOG en los pacientes que son candidatos para la cirugía de la epilepsia. Las indicaciones de la cirugía de implantación están influenciadas significativamente por el tipo exacto de matriz del microelectrodo; aquí, describimos el procedimiento para una matriz que recientemente recibió la aprobación regulatoria para el uso en seres humanos en los Estados Unidos. La llamada matriz de Utah está compuesto por un 4 x 4 mm, rejilla 100 microelectrodo; un pedestal transcutáneo que se adjunta a la tabla externa del cráneo; y un paquete de cable que conecta los dos.

<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

Este protocolo describe un procedimiento para ayudar a los cirujanos en formación para la implantación de arreglos de microelectrodos en el Neocórtex del cerebro humano. Recientes avances tecnológicos han permitido la fabricación de arreglos de microelectrodos que permiten registrar la actividad de neuronas individuales múltiples en el Neocórtex del cerebro humano. Estas matrices tienen el potencial de traer una visión única sobre los correlatos neuronales de la función cerebral en salud y enfermedad. Además, la identificación y decodificación de la actividad neuronal volitiva se abre la posibilidad de establecer interfaces cerebro-computadora y así podría ayudar a restaurar las funciones neurológicas perdidas. La implantación de arreglos de microelectrodos neocortical es un procedimiento invasivo que requiere una craneotomía supra centimétrico y la exposición de la superficie cortical; así, el procedimiento debe realizarse por un neurocirujano adecuadamente capacitado. Con el fin de proporcionar una oportunidad para entrenamiento quirúrgico, hemos diseñado un procedimiento basado en un modelo de cadáver humano. El uso de un cadáver humano formaldehído-fija pasa por alto las dificultades prácticas, éticas y financieras de la práctica quirúrgica en animales (especialmente no humanos primates) conservando la estructura macroscópica de la cabeza, cráneo, meninges y cerebral superficie y permiten realista, como quirófano y el instrumental. Además, el uso de un cadáver humano está más cercano de la práctica clínica diaria que cualquier modelo no humanos. Los principales inconvenientes de la simulación cadavérico están la ausencia de pulsación cerebral y de la circulación sanguínea y del líquido cerebroespinal. Sugerimos que un modelo de cadáver humano formaldehído-fija es un enfoque adecuado, práctico y rentable para asegurar la adecuada formación quirúrgica antes de la implantación de arreglos de microelectrodos en el neocortex humano de vida.

Nuestro protocolo utiliza un modelo de cadáver humano fijado en formaldehído que permiten a los cirujanos practicar el procedimiento quirúrgico de implantación de una matriz de microelectrodos en la corteza cerebral en un entorno realista, OR-como. La opción de realizar post-mortem neuroimagen, como la cabeza CT, confirma la ausencia de cualquier lesión intracraneal significativa (figura 1A) y puede ayudar con la selección del sitio de implantación. Trabajar con una muestra completa ...

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

Formación quirúrgica para la implantación de microelectrodos Neocortical matrices usando un modelo de cadáver humano formaldehído-fija

Hemos diseñado un procedimiento en el que un cadáver humano formaldehído-fija se utiliza para ayudar a los neurocirujanos en formación para la implantación de arreglos de microelectrodos en el Neocórtex del cerebro humano.

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

Un modelo murino de entrenamiento de los músculos mediante la estimulación eléctrica neuromuscular

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

Investigación

Medicina

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

Un modelo murino de la implantación de un stent en la arteria carótida para el Estudio de la reestenosis

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 Cápsula xenotrasplante y subcutánea Pellet Implantación para la Evaluación de la próstata Carcinogénesis y la hiperplasia prostática benigna

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

Implantación de la vena cava inferior interposición del injerto en modelo de ratón

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

Usando Saccadometry con estimulación cerebral profunda para estudiar la función cerebral normal y patológica

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

Generación de un ratón humanizado hígado uso de células madre hepáticas humanas

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

Inducción de la Aterosclerosis Acelerada en Ratones: El Modelo de "Lesiones por Alambre"

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

Las respuestas compensatorias integradas en un modelo humano de la hemorragia

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

Un modelo de rata de Orthotopic trasplante del hígado usando una técnica de Anastomosis magnética novela para la reconstrucción de la Vena Cava suprahepática

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

Entrenamiento quirúrgico modelo: Adquisición de habilidades en el photocoagulation del Laser Fetoscopic de Monochorionic Diamniotic Twin Placenta utilizando simuladores realistas

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