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

Författarna är tacksamma att Dr Rob Franklin (Blackrock Microsystems), Prof. Margitta Seeck (avdelningen för neurologi, universitetssjukhusen i Genève, Genève, Schweiz), Dr Andrea Bartoli och Prof. Karl Schaller (avdelningen för neurokirurgi, Genève universitet Sjukhus, Geneve, Schweiz), och Mr Florent Burdin och Prof. John P. Donoghue (Wyss Center för Bio och Neuroengineering, Genève) för deras stöd förbereda närvarande arbete.

Den mänskliga kadaver som används i detta arbete var som tillhandahålls inom ramen för kroppen donationer för medicinsk pedagogik. Informerat samtycke för organ donation erhölls skriftligt under givarens livstid. I enlighet med federal och kantonal lagstiftning krävdes ingen granskning av en etisk kommitté.
Obs: Detta protokoll förutsätter att de personer som utför praktiken operationen är neurokirurger med utbildning och kompetens inom Neurokirurgiska standardprocedurer, inklusiv...

Formaldehyd-fast mänskliga cadaver modellen och det kirurgiska protokollet som beskrivs här replikera det kirurgiska ingreppet att implantera mikroelektrod matriser i den mänskliga hjärnans neocortex. Varje steg i förfarandet, inbegripet placeringen av mikroelektrod matrisen och dess införande med den pneumatiska Insertion, fortsätt på nästan samma sätt som i en verklig patient, med undantag att cerebral pulsering och cirkulationen är frånvarande. De kritiska steg i protokollet är anpassningen av mikroelektr...

Senaste åren har sett utvecklingen av tekniska lösningar på utmaningen att registrera aktiviteten av flera enskilda nervceller i levande hjärnan1,2,3. Kiselbaserade mikroelektrod matriser utför samma sätt att konventionella tråd mikroelektroder i termer av egenskaper signal, och de kan spela in från tiotals till hundratals nervceller i en liten lapp av cerebral vävnad4,5, 6 , 7. mikroelektrod matriser har låtit forskarna att upprätta korrespondensen mellan neural aktivitet i primära motoriska cortex av apor och arm rörelser8, som i sin tur har lämnat ett uppsving för utvecklingen av hjärna-dator gränssnitt (BCIs)9.
Mikroelektrod matriser har använts i människor i två situationer: som kronisk implantat styra BCIs och subkronisk implantat att studera aktiviteten av enskilda nervceller hos patienter som lider av epilepsi. Kronisk implantat, inriktning funktionella framställningen av handen i primära motoriska cortex, låtit patienter med tetraplegi till förflyttningar av en robotarm eller dator markörer10,11,12 ,13. Subkronisk implantat, infogas tillsammans med subdural electrocorticography (ECOG) elektroderna hos patienter med läkemedelsresistent epilepsi som är kandidater för epilepsi kirurgi14, tillåta enstaka inspelningar före, under och efter anfall, och har börjat belysa aktiviteten av enstaka nervceller under och mellan epileptiska anfall15,16,17,18,19. Mikroelektrod matriser har potential att avsevärt förbättra vår förståelse för hur hjärnan fungerar genom att upprätta en länk mellan aktiviteten hos nervceller, dels, och uppfattningar, rörelser och tankar av människor, såväl i hälsa sjukdom, på andra20,21.
Kiselbaserade mikroelektrod matriser finns nu kommersiellt och deras användning på människa har godkänts av tillsynsmyndigheterna i USA i indikationen subkronisk epilepsi. Men dessa enheter är invasiva och måste sättas in i hjärnan. De negativa konsekvenserna av felaktig isättning teknik, utöver fel på enheten för att spela in neuronal aktivitet, inkluderar hjärnblödning och infektion, med potential för långvarig eller permanent neurologisk dysfunktion. Även om andelen komplikation av mikroelektrod array implantation är för närvarande okänd, är potentiellt allvarliga komplikationer under implantation av intrakraniell elektroencefalografi (EEG) macroelectrodes 1-5%22, 23. korrekt implantation av mikroelektrod matriser kräver därför både omfattande Neurokirurgiska kompetens och procedur-specifika utbildning.
Metoderna som är tillgängliga för kirurger att finslipa sina färdigheter med mikroelektrod matriser i en trygg miljö inkluderar icke-mänskliga däggdjur och mänskliga kadaver. Den idealiska utbildningsmodell skulle återge storlek och tjocklek av mänsklig skalle; den seghet och vaskulär förgrening av dura; gyrification mönster, konsekvens och pulsering av den mänskliga hjärnan; förekomsten av cirkulerande blod och cerebrospinalvätska; och övergripande placeringen av motivet i ett operationsrum (OR)-liknande miljö. Således, djurmodeller måste vara av en tillräcklig storlek för att ge en meningsfull upplevelse till kirurger. Stora icke-mänskliga primater kommit närmast, men deras användning för kirurgisk träning är ohållbar både ur etiskt perspektiv och eftersom de är dyra. Gnagare anger inte ersättning på grund av deras ringa storlek; använder även katter eller kaniner innebär avvika betydligt från en OR-liknande miljö.
Mänskliga kadaver utgör ett attraktivt alternativ. Deras fördelar är liv-liknande storleken och formen på huvudet och hjärnan och möjligheten att ställa in kirurgisk träning i OR-liknande miljö. De mest uppenbara avgångar från en realistisk situation är avsaknad av cerebral pulsationer och blödning och ändringarna i den aspekten och konsistens av kroppens vävnader som är specifika för den teknik som används för cadaver bevarande24. Färskfryst kadaver bevara enhetlighet och flexibiliteten i många organ och vävnader i viss utsträckning, men de har flera nackdelar: de börjar förnedrande så snart upptining börjar, så att hjärnan blir också förstörd för införande av en mikroelektrod array utföras realistiskt, och de är relativt sällsynta och dyra resurser. Formaldehyd-fasta kadaver, däremot, är mer överkomliga och tillgängliga och mycket mer hållbara, på bekostnad av härdade vävnad konsistens.
Här, fastställa vi ett förfarande som använder en modell som formaldehyd-fast mänskliga cadaver Neurokirurgiska utbildning för implantation av en hjärnbarkens mikroelektrod array. Vår strategi tillåter realistiska, OR-liknande positionering och instrumentation; utföra kraniotomi och durotomy och utsätta hjärnbarkens ytan; fästa elektrod sockeln till skallbenet angränsande kraniotomi; och infoga mikroelektrod matrisen i hjärnbarken med en pneumatisk Slaganordningen25. Kritiskt, det gör att kirurger att öva precisa anpassningen av mikroelektrod matrisen (som kopplas till elektroden piedestal med en bunt av individuellt isolerade guld trådar) parallellt med den hjärnbarkens yta26. Våra protokoll replikerar troget indikeringen av mikroelektrod array implantation tillsammans med ECOG implanteras i patienter som är kandidater för epilepsi kirurgi. Uppgifter om implantation kirurgi påverkas avsevärt av den exakta typen av mikroelektrod vektorn; Här beskriver vi proceduren för en matris som nyligen fått godkännande för användning i människor i USA. Så kallade Utah matrisen består av en 4 x 4 mm, 100 mikroelektrod rutnät. en transkutan piedestal som är kopplad till den externa tabellen av skallen; och en tråd bunt ansluta två.

<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

Det här protokollet beskriver en procedur för att hjälpa kirurger under utbildning för implantation av mikroelektrod matriser i hjärnbarken i den mänskliga hjärnan. Senaste tekniska framsteg har gjort tillverkning av mikroelektrod matriser som tillåter inspelning aktiviteten av flera enskilda nervceller i hjärnbarken i den mänskliga hjärnan. Dessa matriser har potential att få unik insikt på de neuronala korrelat till cerebral funktion vid hälsa och sjukdom. Dessutom identifiering och avkodning av viljande neuronal aktivitet öppnar möjligheten att upprätta hjärna-dator gränssnitt, och därmed kan bidra till att återställa förlorade neurologiska funktioner. Implantation av hjärnbarkens mikroelektrod arrayer är en invasiv förfarande som kräver en supra-centimetric kraniotomi och exponeringen av kortikala ytan; förfarandet måste således utföras av en adekvat utbildad neurokirurg. För att ge en möjlighet för kirurgisk träning har utformat vi ett förfarande baserat på en human cadaver modell. Användning av en formaldehyd-fast mänskliga cadaver kringgår de praktiska, etiska och ekonomiska svårigheterna av kirurgisk praxis på djur (särskilt icke-mänskliga primater) medan bevara makroskopisk struktur av huvud, skalle, hjärnhinnor och cerebral yta och gör att realistiska, operationssalen-liknande positionering och instrumentation. Dessutom är användningen av en mänsklig cadaver närmare klinisk daglig praxis än någon icke-mänskliga modell. De stora nackdelarna med den avlidna simuleringen är avsaknaden av cerebral pulsering och blod-och cerebrospinalvätska. Vi föreslår att formaldehyd-fast mänskliga cadaver modell är ett adekvat, praktiska och kostnadseffektiva tillvägagångssätt att säkerställa lämplig kirurgisk utbildning innan implantera mikroelektrod matriser i levande mänskliga hjärnbarken.

Våra protokoll använder formaldehyd-fixerade mänskliga cadaver modell för att tillåta kirurger att öva det kirurgiska ingreppet att implantera en mikroelektrod matris i hjärnans neocortex i en realistisk, OR-liknande miljö. Alternativet utför obduktion neuroimaging, såsom huvud CT, kommer att bekräfta avsaknaden av någon betydande intrakraniell lesion (figur 1A) och kan hjälpa till med valet av implanteringsstället. Arbeta med en hela preparatet och ställa in för operation p?...

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

Kirurgisk träning för Implantation av hjärnbarkens mikroelektrod matriser använder en modell med formaldehyd-fast mänskliga Cadaver

Vi utformade ett förfarande där en formaldehyd-fast mänskliga cadaver används för att bistå neurokirurger utbildning för implantation av mikroelektrod matriser i hjärnbarken i den mänskliga hjärnan.

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 musmodell av Muscle Training med neuromuskulära 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 mus modell av stentimplantation i halspulsådern för studier av restenos

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

Njurar Capsule Xenografting och subkutan Pellet Implantation för utvärdering av Prostata Carcinogenesis och godartad prostataförstoring

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 av nedre hålvenen inter Graft i musmodell

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

Använda Saccadometry med Deep Brain Stimulation till Normal och Patologisk hjärnfunktion

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 av en humaniserad muslever Använda Human 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 av accelererad åderförkalkning hos möss: "Wire-skada" Modell

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

Integrerade Kompensations svar i en mänsklig modell av Blödning

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 råtta modell av ortotop levertransplantation med romanen magnetiska anastomos teknik för Suprahepatic Vena Cava återuppbyggnad

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

Modell kirurgisk utbildning: Kompetensutveckling i Fetoscopic Laser fotokoagulation av Monochorionic Diamniotic Twin moderkakan använder realistiska simulatorer

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