Name: a mri-based toolbox for neurosurgical planning in nonhuman primates
Uploaded: 2020-07-17T14:00:00
Description: Watch this Scientific Journal Video about A MRI-Based Toolbox for Neurosurgical Planning in Nonhuman Primates at JoVE.com

Dette projekt blev støttet af Eunice Kennedy Shiver National Institute of Child Health & Human Development of the National Institutes of Health under Award Number K12HD073945, Washington National Primate Research Center (WaNPCR, P51 OD010425), Center for Neurotechnology (CNT, en National Science Foundation Engineering Research Center under Grant EEC-1028725) og University of Washington Royalty Research Funds. Finansiering til Macknik og Martinez-Conde labs for dette projekt kom fra en BRAIN Initiative NSF-NCS Award 1734887, samt NSF Awards 1523614 & 1829474, og SUNY Empire Innovator Stipendier til hver professor. Vi takker Karam Khateeb for hans hjælp med agarose forberedelse, og Toni J Huan for teknisk hjælp.

Alle dyreforsøg blev godkendt af University of Washington Institute for Animal Care and Use Committee. To mandlige rhesus macaques (abe H: 14,9 kg og 7 år gammel, abe L: 14,8 kg og 6 år) blev brugt.
1. Erhvervelse af image
<ol><li>Transporter aben til en 3T MR-scanner og læg dyret i en MR-kompatibel stereoaksisk ramme (Tabel over Materialer).</li>
	<li>Optag standard T1 (flip vinkel = 8°, gentagelsestid /ekko tid = 7.5/3.69 s, matrix størrelse = 432 x 432 x 80, erhverv...

<ol>
	<li>Phillips, K. A., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Why+primate+models+matter.">Why primate models matter.</a> American Journal of Primatology. 76 (9), 801-827 (2014).</li><li>Macknik, S. L., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Advanced+Circuit+and+Cellular+Imaging+Methods+in+Nonhuman+Primates.">Advanced Circuit and Cellular Imaging Methods in Nonhuman Primates.</a> Journal of Neuroscience. 39 (42), 8267-8274 (2019).</li><li>Seok, J., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Genomic+responses+in+mouse+models+poorly+mimic+human+inflammatory+diseases.">Genomic responses in mouse models poorly mimic human inflammatory diseases.</a> Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. 110 (9), 3507-3512 (2013).</li><li>Ju, N., Jiang, R., Macknik, S. L., Martinez-Conde, S., Tang, S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Long-term+all-optical+interrogation+of+cortical+neurons+in+awake-behaving+nonhuman+primates.">Long-term all-optical interrogation of cortical neurons in awake-behaving nonhuman primates.</a> PLoS Biol. 16 (8), 2005839 (2018).</li><li>Yazdan-Shahmorad, A., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Widespread+optogenetic+expression+in+macaque+cortex+obtained+with+MR-guided,+convection+enhanced+delivery+(CED)+of+AAV+vector+to+the+thalamus.">Widespread optogenetic expression in macaque cortex obtained with MR-guided, convection enhanced delivery (CED) of AAV vector to the thalamus.</a> Journal of Neuroscience Methods. 293, 347-358 (2018).</li><li>Yazdan-Shahmorad, A., Silversmith, D. B., Kharazia, V., Sabes, P. N. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Targeted+cortical+reorganization+using+optogenetics+in+nonhuman+primates.">Targeted cortical reorganization using optogenetics in nonhuman primates.</a> Elife. 7, (2018).</li><li>Ledochowitsch, P., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Strategies+for+optical+control+and+simultaneous+electrical+readout+of+extended+cortical+circuits.">Strategies for optical control and simultaneous electrical readout of extended cortical circuits.</a> Journal of Neuroscience Methods. 256, 220-231 (2015).</li><li>Yao, Z., Yazdan-Shahmorad, A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=A+Quantitative+Model+for+Estimating+the+Scale+of+Photochemically+Induced+Ischemic+Stroke.">A Quantitative Model for Estimating the Scale of Photochemically Induced Ischemic Stroke.</a> Conference proceedings - IEEE Engineering in Medicine and Biology Society. 2018, 2744-2747 (2018).</li><li>Yazdan-Shahmorad, A., Silversmith, D. B., Sabes, P. N. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Novel+techniques+for+large-scale+manipulations+of+cortical+networks+in+nonhuman+primates.">Novel techniques for large-scale manipulations of cortical networks in nonhuman primates.</a> Conference proceedings - IEEE Engineering in Medicine and Biology Society. 2018, 5479-5482 (2018).</li><li>Yazdan-Shahmorad, A., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=A+Large-Scale+Interface+for+Optogenetic+Stimulation+and+Recording+in+Nonhuman+Primates.">A Large-Scale Interface for Optogenetic Stimulation and Recording in Nonhuman Primates.</a> Neuron. 89 (5), 927-939 (2016).</li><li>Yazdan-Shahmorad, A., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Demonstration+of+a+setup+for+chronic+optogenetic+stimulation+and+recording+across+cortical+areas+in+nonhuman+primates.">Demonstration of a setup for chronic optogenetic stimulation and recording across cortical areas in nonhuman primates.</a> SPIE BiOS. , (2015).</li><li>Han, X. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Optogenetics+in+the+nonhuman+primate.">Optogenetics in the nonhuman primate.</a> Progress in Brain Research. 196, 215-233 (2012).</li><li>Acker, L., Pino, E. N., Boyden, E. S., Desimone, R. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=FEF+inactivation+with+improved+optogenetic+methods.">FEF inactivation with improved optogenetic methods.</a> Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. 113 (46), 7297-7306 (2016).</li><li>May, T., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Detection+of+optogenetic+stimulation+in+somatosensory+cortex+by+nonhuman+primates--towards+artificial+tactile+sensation.">Detection of optogenetic stimulation in somatosensory cortex by nonhuman primates--towards artificial tactile sensation.</a> PLoS One. 9 (12), 114529 (2014).</li><li>Griggs, D. J., K, K., Philips, S., Chan, J. W., Ojemann, W. K. S., Yazdan-Shahmorad, A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Optimized+large-scale+optogenetic+interface+for+nonhuman+primates.">Optimized large-scale optogenetic interface for nonhuman primates.</a> SPIE BiOS. , (2019).</li><li>Khateeb, K., Griggs, D. J., Sabes, P. N., Yazdan-Shahmorad, A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Convection+Enhanced+Delivery+of+Optogenetic+Adeno-associated+Viral+Vector+to+the+Cortex+of+Rhesus+Macaque+Under+Guidance+of+Online+MRI+Images.">Convection Enhanced Delivery of Optogenetic Adeno-associated Viral Vector to the Cortex of Rhesus Macaque Under Guidance of Online MRI Images.</a> Journal of Visualized Experiments. (147), (2019).</li><li>Lucas, T. H., Fetz, E. E. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Myo-cortical+crossed+feedback+reorganizes+primate+motor+cortex+output.">Myo-cortical crossed feedback reorganizes primate motor cortex output.</a> Journal of Neuroscience. 33 (12), 5261-5274 (2013).</li><li>Jackson, A., Mavoori, J., Fetz, E. E. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Long-term+motor+cortex+plasticity+induced+by+an+electronic+neural+implant.">Long-term motor cortex plasticity induced by an electronic neural implant.</a> Nature. 444 (7115), 56-60 (2006).</li><li>Paxinos, G., Huang, X. F., Petrides, M., Toga, A. W. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=.">.</a> The Rhesus Monkey Brain in Stereotaxic Coordinates. 2nd Edition. , (2008).</li><li>Krauze, M. T., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Reflux-free+cannula+for+convection-enhanced+high-speed+delivery+of+therapeutic+agents.">Reflux-free cannula for convection-enhanced high-speed delivery of therapeutic agents.</a> Journal of Neurosurgery. 103 (5), 923-929 (2005).</li><li>Chen, Z. J., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=A+realistic+brain+tissue+phantom+for+intraparenchymal+infusion+studies.">A realistic brain tissue phantom for intraparenchymal infusion studies.</a> Journal of Neurosurgery. 101 (2), 314-322 (2004).</li><li>Cheng, H., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Prolonged+operative+duration+is+associated+with+complications:+a+systematic+review+and+meta-analysis.">Prolonged operative duration is associated with complications: a systematic review and meta-analysis.</a> Journal of Surgical Research. 229, 134-144 (2018).</li><li>Michikawa, T., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Automatic+extraction+of+endocranial+surfaces+from+CT+images+of+crania.">Automatic extraction of endocranial surfaces from CT images of crania.</a> PLoS One. 12 (4), 0168516 (2017).</li><li>Soliman, A. S., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=A+realistic+phantom+for+validating+MRI-based+synthetic+CT+images+of+the+human+skull.">A realistic phantom for validating MRI-based synthetic CT images of the human skull.</a> Medical Physics. 44 (9), 4687-4694 (2017).</li><li>Blonde, J. D., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Customizable+cap+implants+for+neurophysiological+experimentation.">Customizable cap implants for neurophysiological experimentation.</a> Journal of Neuroscience Methods. 304, 103-117 (2018).</li><li>Overton, J. A., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Improved+methods+for+acrylic-free+implants+in+nonhuman+primates+for+neuroscience+research.">Improved methods for acrylic-free implants in nonhuman primates for neuroscience research.</a> Journal of Neurophysiology. 118 (6), 3252-3270 (2017).</li><li>Lohmeier, J., Kaneko, T., Hamm, B., Makowski, M. R., Okano, H. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=atlasBREX:+Automated+template-derived+brain+extraction+in+animal+MRI.">atlasBREX: Automated template-derived brain extraction in animal MRI.</a> Scientific Reports. 9 (1), 12219 (2019).</li><li>Ortiz-Rios, M., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Improved+methods+for+MRI-compatible+implants+in+nonhuman+primates.">Improved methods for MRI-compatible implants in nonhuman primates.</a> Journal of Neuroscience Methods. 308, 377-389 (2018).</li><li>Nishimura, Y., Perlmutter, S. I., Eaton, R. W., Fetz, E. E. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Spike-timing-dependent+plasticity+in+primate+corticospinal+connections+induced+during+free+behavior.">Spike-timing-dependent plasticity in primate corticospinal connections induced during free behavior.</a> Neuron. 80 (5), 1301-1309 (2013).</li><li>Seeman, S. C., Mogen, B. J., Fetz, E. E., Perlmutter, S. I. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Paired+Stimulation+for+Spike-Timing-Dependent+Plasticity+in+Primate+Sensorimotor+Cortex.">Paired Stimulation for Spike-Timing-Dependent Plasticity in Primate Sensorimotor Cortex.</a> Journal of Neuroscience. 37 (7), 1935-1949 (2017).</li><li>Sedaghat-Nejad, E., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Behavioral+training+of+marmosets+and+electrophysiological+recording+from+the+cerebellum.">Behavioral training of marmosets and electrophysiological recording from the cerebellum.</a> Journal of Neurophysiology. 122 (4), 1502-1517 (2019).</li><li>Schweizer-Gorgas, D., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Magnetic+resonance+imaging+features+of+canine+gliomatosis+cerebri.">Magnetic resonance imaging features of canine gliomatosis cerebri.</a> Veterinary Radiology &amp; Ultrasound. 59 (2), 180-187 (2018).</li><li>Galvan, A., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Nonhuman+Primate+Optogenetics:+Recent+Advances+and+Future+Directions.">Nonhuman Primate Optogenetics: Recent Advances and Future Directions.</a> Journal of Neuroscience. 37 (45), 10894-10903 (2017).</li><li>Galvan, A., Caiola, M. J., Albaugh, D. L. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Advances+in+optogenetic+and+chemogenetic+methods+to+study+brain+circuits+in+nonhuman+primates.">Advances in optogenetic and chemogenetic methods to study brain circuits in nonhuman primates.</a> Journal of Neural Transmission. 125 (3), 547-563 (2018).</li></ol>

Denne artikel beskriver en værktøjskasse til forberedelse til neurokirurgi i NHPs ved hjælp af fysiske og CAD modeller af kraniet og hjernens anatomi udvundet fra MR-scanninger.
Mens de ekstraherede og 3D trykte kraniet og hjernen modeller blev designet specielt til fremstilling af kraniotomi operationer og hoved post implantationer, metoden egner sig til flere andre applikationer. Som beskrevet før, den fysiske model af kraniet giver mulighed for pre-bøjning af hovedet post før operatio...

Primatforskning har været et afgørende skridt i udviklingen af medicinsk forskning fra dyremodeller til forsøg medmennesker 1,2. Dette er især tilfældet i studiet af neurovidenskabogneuralteknik, da der er en stor fysiologisk og anatomisk uoverensstemmelse mellem gnaverhjerner og ikke-menneskelige primater (NHP)1,2,3. Med nye genetiske teknologier såsom kemogenetik, optogenetik, og calcium billeddannelse, der kræver genetisk modifikation af neuroner, neurale engineering forskning studerer neurale funktion i NHP's har fået særlig opmærksomhed som en præklinisk model for forståelse hjernefunktion2,4,5,6,7,8,9,10 ,11,12,13,14,15,16. I de fleste NHP neurovidenskab eksperimenter, neurokirurgiske foranstaltninger er nødvendige for implantation af forskellige enheder såsom hoved stillinger, stimulation og optagelse kamre, elektrode arrays og optiske vinduer4,5,6,7,10,11,13,14,15,17,18.
Nuværende NHP labs bruge en række forskellige metoder, der ofte omfatter ineffektive praksis, herunder sedating dyret til at passe benene på et hoved post og omtrentlige krumning af kraniet omkring kraniotomi site. Andre laboratorier passer hovedet post til kraniet i kirurgi eller anvende mere avancerede metoder til at få de nødvendige målinger for implantation som at analysere en NHP hjerne atlas og magnetisk resonans (MR) scanninger for at forsøge at vurdere kraniet krumninger2,10,11,16. Neurokirurgi i NHPs også involverer væskeindsprøjtninger, og laboratorier har ofte ingen måde at visualisere den forventede injektion placering i hjernen2,4,5,13,14 udelukkende bygger på stereotaxic målinger og sammenligning med MR-scanninger. Disse metoder har en vis uundgåelig usikkerhed fra at være ude af stand til at teste den fysiske kompatibilitet af alle de komplekse komponenter i implantatet.
Derfor er der behov for en nøjagtig noninvasive metode til neurokirurgisk planlægning i NHPs. Her præsenterer vi en protokol og metode til fremstilling af implantation og injektion operationer i disse dyr. Hele processen stammer fra MR-scanninger, hvor hjernen og kraniet udvindes fra dataene for at skabe tredimensionelle (3D) modeller, der derefter kan 3D-printes. Kraniet og hjernen modeller kan kombineres for at forberede sig til kraniotomi operationer samt hoved stillinger med en øget grad af nøjagtighed. Hjernen model kan også bruges til at skabe en støbeform til støbning af en anatomisk præcis gel model af hjernen. Gel hjernen alene og i kombination med en ekstraheret kraniet kan bruges til at forberede en række injektion operationer. Nedenfor vil vi beskrive hver af de trin, der kræves for MR-baserede værktøjskasse til neurokirurgisk præparat.

<table>
	<tbody>
		<tr>
			<td>3D Printing Software (GrabCAD Print)</td>
			<td>Stratasys</td>
			<td>Version 1.36</td>
			<td>Used for High quality 3D printing</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>3D Printing Software (Simplify 3D)</td>
			<td>Simplify3D</td>
			<td>Version 4.1</td>
			<td>Used for PLA 3D printing</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Agarose</td>
			<td>Benchmark Scientific</td>
			<td>A1700</td>
			<td>Used for making gel brains</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Black Nail Polish</td>
			<td>L.A. Colors</td>
			<td>CNP637</td>
			<td>Used for gel molding</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Cannula (ID 320 um, OD 432 um)</td>
			<td>Polymicro Technologies</td>
			<td>1068150627</td>
			<td>Used to inject dye into gel brain</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Cannula (ID 450 um, OD 666 um)</td>
			<td>Polymicro Technologies</td>
			<td>1068150625</td>
			<td>Used to inject dye into gel brain</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Catheter Connector</td>
			<td>B Braun</td>
			<td>PCC2000</td>
			<td>Perifix for 20-24 Gage epidural catheters; Units per Cs 50</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Dremel 3D Digilab 3D45 printer</td>
			<td>Dremel</td>
			<td>F0133D45AA</td>
			<td>Used for prototyping in PLA</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>ECOWORKS</td>
			<td>Stratasys</td>
			<td>300-00104</td>
			<td>Used to dissolve QSR support structures</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Erlymeyer flask</td>
			<td>Pyrex</td>
			<td>4980</td>
			<td>Used for gel molding</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Ethyl cyanoacrylate</td>
			<td>The Original Super Glue Corp.</td>
			<td>15187</td>
			<td>Used to make combined cannula</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Graduated cylinder</td>
			<td></td>
			<td>3023</td>
			<td>Used for gel molding</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>HATCHBOX PLA 3D Printer Filament</td>
			<td>HATCHBOX</td>
			<td>3DPLA-1KG1.75-RED/3DPLA-1KG1.75-BLACK</td>
			<td>1kg Spool, 1.75mm, Red/Black</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Locust Bean Gum</td>
			<td>Modernist Pantry</td>
			<td>1018</td>
			<td>Gumming agent for gel brain mixtures</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>MATLAB</td>
			<td>MathWorks</td>
			<td>R2019b</td>
			<td>Used for skull extraction</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>McCormick Yellow Food Color</td>
			<td>McCormick</td>
			<td></td>
			<td>Used for dye injection</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Microwave</td>
			<td>Panasonic</td>
			<td>NN-SD975S</td>
			<td>Used for agarose curing</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>MR Imaging Software (3D Slicer)</td>
			<td>3D Slicer</td>
			<td>Version 4.10.2</td>
			<td>Used for 3D model generation</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>MR Imaging Software (Mango with BET plugin)</td>
			<td>Reasearch Imaging Institute</td>
			<td>Version 4.1</td>
			<td>Used for brain extraction</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Philips Acheiva MRI System</td>
			<td>Philips</td>
			<td>4522 991 19391</td>
			<td>Used to image non-human primates</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Phosphate Buffered Solution</td>
			<td>Gibco</td>
			<td>70011-044</td>
			<td>10X diluted with DI water to 1X</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Pump</td>
			<td>WPI</td>
			<td>UMP3T-1</td>
			<td>Used for dye injection</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Pump driver</td>
			<td>WPI</td>
			<td>UMP3T-1</td>
			<td>Used for dye injection</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Refrigerator</td>
			<td>General Electric</td>
			<td></td>
			<td>Used to preserve agarose gel</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Scientific Spatula</td>
			<td>VWR</td>
			<td>82027-494</td>
			<td>Used to extract gel molds</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>SolidWorks</td>
			<td>Dassault Systemes</td>
			<td>2019</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Stratasys ABS-M30 filament</td>
			<td>Stratasys</td>
			<td>333-60304</td>
			<td>Used for high quality 3D printing</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Stratasys F170 3D printer</td>
			<td>Stratasys</td>
			<td>123-10000</td>
			<td>Used for high quality 3D printing</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Stratasys QSR support</td>
			<td>Stratasys</td>
			<td>333-63500</td>
			<td>Used to create supports with ABS model</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Syringe</td>
			<td>SGE</td>
			<td>SGE250TLL</td>
			<td>Used for dye injection</td>
		</tr>
	</tbody>
</table>

a mri-based toolbox for neurosurgical planning in nonhuman primates

I dette papir skitserer vi en metode til kirurgisk præparat, der giver mulighed for praktisk planlægning af en række neurokirurgier i NHPs udelukkende ved hjælp af data udvundet fra magnetisk resonans imaging (MR). Denne protokol giver mulighed for generering af 3D-printede anatomisk præcise fysiske modeller af hjernen og kraniet, samt en agarose gel model af hjernen modellering nogle af de mekaniske egenskaber i hjernen. Disse modeller kan udvindes fra MR ved hjælp af hjerneudvinding software til modellen af hjernen, og brugerdefineret kode til modellen af kraniet. Forberedelsesprotokollen udnytter den nyeste 3D-printteknologi til at lave interfacing hjerner, kranier og forme til gelhjernens modeller. Kraniet og hjernen modeller kan bruges til at visualisere hjernevæv inde i kraniet med tilføjelse af en kraniotomi i den brugerdefinerede kode, giver mulighed for bedre forberedelse til operationer direkte involverer hjernen. Anvendelserne af disse metoder er designet til operationer involveret i neurologisk stimulation og registrering samt injektion, men alsidigheden af systemet giver mulighed for fremtidig udvidelse af protokollen, ekstraktion teknikker, og modeller til et bredere anvendelsesområde af operationer.

Manipulation og analyse af MRI'er som en præoperativ kraniotomiplanlægningsforanstaltning er blevet anvendt med succes i deseneste 2,5,10,16. Denne proces, dog, er blevet stærkt forbedret ved tilsætning af 3D modellering af hjernen, kraniet, og kraniotomi. Vi var i stand til at skabe en anatomisk præcis fysisk model af hjernen, der afspejlede det område af interesse for vores undersøgels...

Watch this Scientific Journal Video about A MRI-Based Toolbox for Neurosurgical Planning in Nonhuman Primates at JoVE.com

A MRI-Based Toolbox for Neurosurgical Planning in Nonhuman Primates

Nedenstående metode har til formål at tilvejebringe en omfattende protokol til fremstilling af ikke-menneskelig primat (NHP) neurokirurgi ved hjælp af en ny kombination af tre-dimensionelle (3D) trykningsmetoder og MR-dataudtræk.

En MR-baseret værktøjskasse til neurokirurgisk planlægning hos ikke-menneskelige primater

In this paper, we outline a method for surgical preparation that allows for the practical planning of a variety of neurosurgeries in NHPs solely using ...

Denne protokol er vigtig for neurale engineering område, fordi det giver en kortfattet og unimodal procedure designet til at øge præcisionen og sikkerheden af neurokirurgi i ikke-menneskelige primater. Denne teknik giver forskerne den unikke evne til at visualisere alle aspekter af deres implantation eller injektion procedure, og sikrer, at de kan komme ind i en operationsstue så forberedt som muligt. Visuel demonstration af denne metode er afgørende, fordi det fremhæver den indvirkning og klarhed, som fysiske modeller i livsstil kan have på kirurgisk planlægning.For at udtrække hjernen i den magnetiske resonans imaging software, åbne plugins drop-down menu og vælg ekstrakt hjernen. Ekstraktionsintensitetstærsklen angives til 2,5, 2,7 og tærskelgradientværdien til nul. Når du har oprettet et bitmap af hjernebilledet, skal du vælge byg overflade under billedmenuen og indtaste den tærskel, der bruges til at oprette den bitmap, der indeholder interesseområdet.Klik derefter på okay for at oprette overfladen. Og gem den udtrukne hjerne region af interesse som en NII eller NII. GZ-fil.For at generere en hjernemodel skal du åbne den udtrukne hjernefil i den relevante medicinske billedbehandlingssoftware. Og i editormodulmenuen skal du vælge tærskeleffekt, justere tærskelområdeskydere, så den del af bitmapet, der indeholder hjernen, er fremhævet i alle tre udsnit. Åbn modelproducentmodulet, og vælg bitmapfilen i rullemenuen inputdiskiteter.Vælg Opret nyt modelhierarki under modeller, og klik på anvend for at oprette diskenheden. Når den importerede maskehjerneoverflade er importeret, skal du vælge grafik. Og undertrykke eventuelle unødvendige grafiske funktioner, indtil kun de funktioner, der indeholder hjernen er tilbage i filen.Gem derefter filerne i PRT-formatet til yderligere manipulation og som en STL til 3D-udskrivning. For hjernestøbning, indlæse den udtrukne hjernemodel i en passende edb-design software program. Under afsnittet funktioner i indsæt menuen vælg konvertere til mesh krop og den grafiske krop i hjernen til at konvertere det, og åbne denne skitse fane og klik skitse for at vælge den øverste plan som skitse plan.Tegn et rektangel rundt om hele halvkugle af interesse, og vælg extrude boss base funktion til at ekstrudere en kubisk rektangel, der indeholder den øverste del af hjernen. Under sektionen funktioner i indsæt-menuen skal du vælge Konverter til masketeksten og vælge den ekstruderede kube i mappen med udfyldte organer for at konvertere den. Hvis du vil oprette det negative rum, skal du bruge kombinere-funktionen og vælge indstillingen fraskrænket for at trække hjernens model fra den nyligt ekstruderede terning.For kraniet modellering, importere hurtig MPRAGE MRi i en passende matrix manipulation software program som en DICOM-fil. Og brug kommandoerne til at kombinere alle rammerne i en enkelt 3D-matrix efter behov. Sørg for, at hver 2D-ramme i matrixen viser et koronalt udsnit, og brug en større end operator for individuelle pixelværdier til tærskel for 3D-matrixen for at oprette en binær maske.Juster derefter tærsklen, således at kraniets anatomi er fanget af masken. Hvis du vil fjerne muskulaturlaget, skal du iterativt tage fat i et 2D-udsnit fra masken for at behandle hver ramme fra 3D-masken separat og bruge tildeoperatoren til at invertere maskens værdier. Kraniet værdier vil være dem.Ydersiden og hjernen vil have værdier på nul. Føj yderligere tomme voxels til 3D-masken, indtil maskens laveste opløsningsdimension er større af en faktor, der er defineret af skalafaktoren. Og interpolerer lineært værdier i masken, indtil masken fylder det nye rum.Eksporter derefter kraniet som en STL-fil eller en lignende filtype til 3D-udskrivning. For at skabe en kraniotomi i 3D kraniet model, åbne MR-fil og manuelt scanne frem og tilbage gennem 3D-matrixen for at identificere den omtrentlige placering af kraniotomi ved hjælp af anatomiske landemærker findes i makak hjernen atlas. For at skabe en agarose skimmel, hæld agarose løsning i en fuld eller halv halvkugle hjerne skimmel og lad løsningen til at størkne i formen i omkring to timer.Når agarose har sat, skal du bruge en spatel til forsigtigt at fjerne gel model fra formen, passe, ikke at beskadige overfladen af formen. For en mock infusion af agarose gel model, montere en sprøjte pumpe på en stereotaxic arm på en stereotaxic ramme og fylde en 250 mikroliter sprøjte med ioniseret vand. Læg sprøjten på sprøjtepumpen, og fyld injektionskanlen helt sammen med vandet.Brug pumpedriveren til at lægge målmængden af mad farve i sprøjten til injektion. Og skubbe maden farve, indtil en lille perle former på spidsen af kanylen. Tør perle fra kanylespidsen og placer gelmodellen under kanylen.Sænk kanylen, indtil spidsen rører overfladen af gelmodellen, og noter målingerne på den stereotaxiske arm. Sænk derefter jævnt og hurtigt kanylen ned i gelmodellen til målindsprøjtningsdybden. Sørg for, at overfladen af gelen er forseglet omkring kanylen og køre pumpen, mens observere spredningen af dør, indtil målet volumen er blevet leveret.Ved hjælp af denne protokol, en anatomisk præcis fysisk model af den ikke-menneskelige primat hjerne kan oprettes. Tilsvarende kan en anatomisk nøjagtig fysisk model af primat kraniet udvundet fra magnetiske resonans billeder også genereres. De fysiske modeller af kraniet og hjernen kan kombineres med en stram interferens pasform, validering af nøjagtigheden af de to modeller i forhold til hinanden og legitimere de ekstrapolerede MR-analysedata.Indsættelsen af en kraniotomi i kraniet før udskrivning, giver mulighed for kombination af alle de dele af prøven interface til evaluering af geometri af forskellige komponenter i forhold til kraniet og hjernen. For eksempel, i dette eksperiment, fødderne af hovedet stillingen blev manipuleret og monteret på krumning af kraniet på placeringen af implantationen forud for proceduren. Resulterer i en reduceret kirurgisk tid fra ca 2,5 timer til en time fra åbning til implantation, hvilket i høj grad reducerer risikoen for operative komplikationer.Agarose blanding hjernemodeller kan injiceres med gult farvestof i et område af interesse for at vurdere mængden af den foreslåede infusion og kombinere agarose model med en 3D trykt kraniet kan bruges til at modellere viral vektor injektion kirurgi. Under hensyntagen til variationer i kraniet og hjernens anatomi hos forskellige dyr, succes i udvindingsprocessen vil kræve justeringer i iterative trin. Så denne værktøjskasse kan bruges til at reducere risikoen i ikke-menneskelige primat neurokirurgi og fabrikation teknikker kan forbedre den eksperimentelle proces på forkant med neurovidenskab.

Research

JoVE Journal

Bioengineering

A Method for Ovarian Follicle Encapsulation and Culture in a Proteolytically Degradable 3 Dimensional System

The ovarian follicle is the functional unit of the ovary that secretes sex hormones and supports oocyte maturation. In vitro  follicle techniques provide ...

Fabrication of Electrochemical-DNA Biosensors for the Reagentless Detection of Nucleic Acids, Proteins and Small Molecules

As medicine is currently practiced, doctors send specimens to a central laboratory for testing and thus must wait hours or days to 
receive the results. ...

Creating Two-Dimensional Patterned Substrates for Protein and Cell Confinement

Microcontact printing provides a rapid, highly reproducible method for the creation of well-defined patterned substrates.1  While microcontact printing ...

Adaptation of a Haptic Robot in a 3T fMRI

Functional magnetic resonance imaging (fMRI) provides excellent functional brain imaging via the BOLD signal 1 with advantages including non-ionizing ...

Cellular Lipid Extraction for Targeted Stable Isotope Dilution Liquid Chromatography-Mass Spectrometry Analysis

Cellular Lipid Ekstraktion for målrettet stabile isotoper Fortynding Liquid Chromatography-massespektrometri Analyse

The metabolism of fatty acids, such as arachidonic acid (AA) and linoleic acid (LA), results in the formation of oxidized bioactive lipids, including ...

Nonhuman Primate Lung Decellularization and Recellularization Using a Specialized Large-organ Bioreactor

Human primat Lung Decellularization og Recellularization bruge en specialiseret Large-orgel bioreaktor

There are an insufficient number of lungs available to meet current and future organ transplantation needs. Bioartificial tissue regeneration is an ...

Repressing Gene Transcription by Redirecting Cellular Machinery with Chemical Epigenetic Modifiers

Undertrykke gen transskription ved at omdirigere cellulære maskiner med kemiske epigenetiske modifikatorer

Regulation of chromatin compaction is an important process that governs gene expression in higher eukaryotes. Although chromatin compaction and gene ...

In Silico Modeling Method for Computational Aquatic Toxicology of Endocrine Disruptors: A Software-Based Approach Using QSAR Toolbox

I silico modellering metode til Computational akvatisk toksikologi af hormonforstyrrende stoffer: en software-baseret tilgang ved hjælp af QSAR Toolbox

Computational analyses of toxicological processes enables high-throughput screening of chemical substances and prediction of their endpoints in biological ...

A Human 3D Extracellular Matrix-Adipocyte Culture Model for Studying Matrix-Cell Metabolic Crosstalk

En menneskelig 3D ekstracellulær matrix-Adipocyte kultur model for at studere matrix-celle metaboliske Crosstalk

The extracellular matrix (ECM) plays a central role in regulating tissue homeostasis, engaging in crosstalk with cells and regulating multiple aspects of ...

Patient-Specific Polyvinyl Alcohol Phantom Fabrication with Ultrasound and X-Ray Contrast for Brain Tumor Surgery Planning

Patient-specifikke Polyvinyl Alkohol Phantom Fabrikation med ultralyd og X-Ray Kontrast til brain tumor kirurgi planlægning

Phantoms are essential tools for clinical training, surgical planning and the development of novel medical devices. However, it is challenging to create ...