Name: a mri-based toolbox for neurosurgical planning in nonhuman primates
Uploaded: 2020-07-17T14:00:00
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Ce projet a été soutenu par l’Eunice Kennedy Shiver National Institute of Child Health & Human Development des National Institutes of Health sous le numéro de prix K12HD073945, le Washington National Primate Research Center (WaNPCR, P51 OD010425), le Center for Neurotechnology (CNT, national Science Foundation Engineering Research Center sous Grant EEC-1028725) et l’University of Washington Royalty Research Funds. Le financement des laboratoires Macknik et Martinez-Conde pour ce projet provenait d’un prix BRAIN Initiative NSF-NCS 1734887, ainsi que des prix NSF 1523614 & 1829474, et des bourses d’études suny empire innovator scholarships à chaque professeur. Nous remercions Karam Khateeb pour son aide dans la préparation de l’agarose, et Toni J Huan pour son aide technique.

Toutes les procédures animales ont été approuvées par le Comité de l’Institut de soins et d’utilisation des animaux de l’Université de Washington. Deux macaques rhésus mâles (singe H : 14,9 kg et 7 ans, singe L : 14,8 kg et 6 ans) ont été utilisés.
1. Acquisition d’images
<ol><li>Transportez le singe à un scanner IRM 3T et placez l’animal dans un cadre stéréotaxique compatible MR (Table of Materials).</li>
	<li>Enregistrez le T1 standard (angle flip =...

<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>

Cet article décrit une boîte à outils pour la préparation des neurochirurgies dans les PSN à l’aide de modèles physiques et CAO de l’anatomie du crâne et du cerveau extraits des scans MR.
Alors que les modèles de crâne et de cerveau imprimés en 3D et extraits ont été conçus spécifiquement pour la préparation des chirurgies de craniotomie et des implantations de poteaux de tête, la méthodologie se prête à plusieurs autres applications. Comme décrit précédemment, le mod...

La recherche sur les primates a été une étape cruciale dans la progression de la recherche médicale des modèles animaux aux essaishumains 1,2. C’est particulièrement le cas dans l’étude des neurosciences et de l’ingénierie neuronale, car il existe un écart physiologique et anatomique important entre le cerveau des rongeurs et celui des primates non humains (PSN)1,2,3. Avec les technologies génétiques émergentes telles que la chimiogénétique, l’optogénétique et l’imagerie calcique qui nécessitent une modification génétique des neurones, la recherche en génie neuronal étudiant la fonction neuronale dans les PSN a attiré une attention particulière en tant que modèle préclinique pour comprendre la fonctioncérébrale 2,4,5,6,7,8,9,10,11,12,13,14,15,16. Dans la plupart des expériences en neurosciences du PSN, des mesures neurochirurgicales sont nécessaires pour l’implantation de divers dispositifs tels que les poteaux de tête, les chambres de stimulation et d’enregistrement, les tableauxd’électrodes etles fenêtres optiques 4,5,6,7,10,11,13,14,15,17,18.
Les laboratoires actuels de PSN utilisent une variété de méthodes qui comprennent souvent des pratiques inefficaces, y compris la sedating de l’animal pour s’adapter aux jambes d’un poteau de tête et se rapprocher de la courbure du crâne autour du site de craniotomie. D’autres laboratoires s’adaptent le poteau de tête au crâne dans la chirurgie ou emploient des méthodes plus avancées d’obtenir les mesures nécessaires pour l’implantation comme l’analyse d’un atlas de cerveau de NHP et des balayages de résonance magnétique (MR) pour essayer d’estimer des courbures decrâne 2,10,11,16. Les neurochirurgies dans les PSN impliquent également des injections de liquide, et les laboratoires n’ont souvent aucun moyen de visualiser l’emplacement d’injection projeté dansle cerveau 2,4,5,13,14 en se fondant uniquement sur des mesures stéréotaxiques et la comparaison avec les balayages de MR. Ces méthodes ont un degré d’incertitude inévitable de ne pas être en mesure de tester la compatibilité physique de tous les composants complexes de l’implant.
Par conséquent, il est nécessaire d’avoir une méthode non invasive précise pour la planification neurochirurgical dans les PSN. Ici, nous présentons un protocole et une méthodologie pour la préparation des chirurgies d’implantation et d’injection chez ces animaux. L’ensemble du processus provient de l’IRM, où le cerveau et le crâne sont extraits des données pour créer des modèles tridimensionnels (3D) qui peuvent ensuite être imprimés en 3D. Les modèles du crâne et du cerveau peuvent être combinés pour se préparer aux chirurgies de craniotomie ainsi qu’aux poteaux de tête avec un niveau accru de précision. Le modèle cérébral peut également être utilisé pour créer un moule pour la coulée d’un modèle de gel anatomiquement précis du cerveau. Le cerveau gel seul et en combinaison avec un crâne extrait peut être utilisé pour se préparer à une variété de chirurgies d’injection. Ci-dessous nous allons décrire chacune des étapes requises pour la boîte à outils basée sur l’IRM pour la préparation neurochirurgical.

<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

Dans cet article, nous décrivons une méthode de préparation chirurgicale qui permet la planification pratique d’une variété de neurochirurgies dans les PSN uniquement à l’aide de données extraites de la formation image par résonance magnétique (IRM). Ce protocole permet la génération de modèles physiques anatomiquement précis imprimés en 3D du cerveau et du crâne, ainsi qu’un modèle de gel agarose du cerveau modelant certaines des propriétés mécaniques du cerveau. Ces modèles peuvent être extraits de l’IRM à l’aide d’un logiciel d’extraction du cerveau pour le modèle du cerveau, et de code personnalisé pour le modèle du crâne. Le protocole de préparation tire parti de la technologie d’impression 3D de pointe pour fabriquer des cerveaux, des crânes et des moules interfacants pour les modèles de cerveaux en gel. Les modèles du crâne et du cerveau peuvent être utilisés pour visualiser les tissus cérébraux à l’intérieur du crâne avec l’ajout d’une craniotomie dans le code personnalisé, permettant une meilleure préparation pour les chirurgies impliquant directement le cerveau. Les applications de ces méthodes sont conçues pour les chirurgies impliquées dans la stimulation neurologique et l’enregistrement ainsi que l’injection, mais la polyvalence du système permet l’expansion future du protocole, des techniques d’extraction et des modèles à un plus large éventail de chirurgies.

La manipulation et l’analyse des IRM en tant que mesure préopératoire de planification de la craniotomie ont été utilisées avec succès au coursdes 2,5,10,16 dernièresannées. Ce processus, cependant, a été considérablement amélioré par l’ajout de la modélisation 3D du cerveau, du crâne, et de la craniotomie. Nous avons réussi à créer un modèle physique anatomiquement préc...

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A MRI-Based Toolbox for Neurosurgical Planning in Nonhuman Primates

La méthode décrite ci-dessous vise à fournir un protocole complet pour la préparation de la neurochirurgie non humaine des primates (PSN) à l’aide d’une nouvelle combinaison de méthodes d’impression tridimensionnelles (3D) et d’extraction de données IRM.

Une boîte à outils basée sur l’IRM pour la planification neurochirurgical chez les primates non humains

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 ...

Ce protocole est important pour le domaine de l’ingénierie neuronale parce qu’il offre une procédure concise et nonimodale conçue pour améliorer la précision et la sécurité de la neurochirurgie chez les primates non humains. Cette technique offre aux chercheurs la capacité unique de visualiser tous les aspects de leur implantation ou de leur procédure d’injection, et garantit qu’ils peuvent entrer dans une salle d’opération aussi préparée que possible. La démonstration visuelle de cette méthode est essentielle parce qu’elle met en évidence l’impact et la clarté que les modèles physiques grandeur nature peuvent avoir sur la planification chirurgicale.Pour extraire le cerveau dans le logiciel d’imagerie par résonance magnétique, ouvrez le menu plugins drop-down et sélectionnez extraire le cerveau. Fixez le seuil d’intensité d’extraction à 2,5, 2,7 et la valeur du gradient de seuil à zéro. Après avoir créé un bitmap de l’image du cerveau, sélectionnez construire la surface sous le menu de l’image et entrez le seuil utilisé pour créer la bitmap contenant la région d’intérêt.Ensuite, cliquez bien pour créer la surface. Et sauver la région du cerveau extrait d’intérêt comme un NII ou NII. Fichier GZ.Pour générer un modèle cérébral, ouvrez le fichier cérébral extrait dans le logiciel de traitement d’image médical approprié. Et dans le menu du module éditeur, sélectionnez l’effet seuil, ajustez les curseurs de plage de seuil de sorte que la partie de la bitmap contenant le cerveau est mise en évidence dans les trois tranches. Ouvrez le module de fabricant de modèles et dans le menu dropdown des volumes d’entrée, sélectionnez le fichier bitmap.Sous les modèles, sélectionnez créer une nouvelle hiérarchie de modèle et cliquez sur appliquer pour créer le volume. Lorsque la surface du cerveau en maille importée a été importée, sélectionnez graphique. Et supprimer toutes les fonctionnalités graphiques inutiles jusqu’à ce que seules les fonctionnalités contenant le cerveau restent dans le fichier.Ensuite, enregistrez les fichiers dans le format PRT pour d’autres manipulations, et comme un STL pour l’impression 3D. Pour le moulage du cerveau, chargez le modèle de cerveau extrait dans un logiciel de conception informatisé approprié. Sous la section caractéristiques du menu insert sélectionner convertir en corps en maille et le corps graphique du cerveau pour le convertir, et ouvrir cet onglet croquis et cliquez sur croquis pour sélectionner le plan supérieur comme le plan de croquis.Dessinez un rectangle autour de tout l’hémisphère d’intérêt, et sélectionnez la fonction de base de boss extrude pour extruder un rectangle cubique contenant la partie supérieure du cerveau. Sous la section caractéristiques du menu insert, sélectionnez convertir en corps en maille et sélectionnez le cube extrudé dans le dossier corps solides pour le convertir. Pour créer l’espace négatif, utilisez la fonction combiner et sélectionnez l’option de soustracte pour soustraire le modèle du cerveau du cube nouvellement extrudé.Pour la modélisation du crâne, importez l’IRM MPRAGE rapide dans un logiciel de manipulation matricielle approprié en tant que fichier DICOM. Et utilisez les commandes pour combiner tous les cadres en une seule matrice 3D si nécessaire. Assurez-vous que chaque image 2D de la matrice affiche une tranche coronale et utilisez une tranche plus grande que l’opérateur pour les valeurs de pixels individuels pour seuilr la matrice 3D pour créer un masque binaire.Ajustez ensuite le seuil de telle sorte que l’anatomie du crâne soit capturée par le masque. Pour enlever la couche de musculature, saisir itérativement une tranche 2D du masque pour traiter chaque cadre du masque 3D séparément, et utiliser l’opérateur tilde pour inverser les valeurs du masque. Les valeurs du crâne seront les unes.L’extérieur et le cerveau auront des valeurs de zéro. Ajoutez des voxels vides supplémentaires au masque 3D jusqu’à ce que la dimension de résolution la plus basse du masque soit plus grande par un facteur défini par le facteur d’échelle. Et interpoler linéairement les valeurs dans le masque jusqu’à ce que le masque remplit le nouvel espace.Ensuite, exportez le crâne comme un fichier STL, ou un type de fichier similaire pour l’impression 3D. Pour créer une craniotomie dans le modèle du crâne 3D, ouvrez le fichier IRM et numérisez manuellement dans les deux sens à travers la matrice 3D pour identifier l’emplacement approximatif de la craniotomie à l’aide de repères anatomiques trouvés dans l’atlas du cerveau macaque. Pour créer un moule d’agarose, versez la solution d’agarose dans un moule plein ou demi de cerveau d’hémisphère et permettez à la solution de solidifier dans le moule pendant environ deux heures.Lorsque l’agarose a pris, utiliser une spatule pour enlever doucement le modèle de gel du moule, en prenant soin, de ne pas endommager la surface du moule. Pour une fausse infusion du modèle de gel agarose, montez une pompe à seringues sur un bras stéréotaxique sur un cadre stéréotaxique et remplissez une seringue de 250 microlitres avec l’eau ionisée. Chargez la seringue sur la pompe à seringues et remplissez complètement la canule d’injection avec l’eau.Utilisez le conducteur de la pompe pour charger le volume cible de colorant alimentaire dans la seringue pour l’injection. Et éjecter la coloration des aliments jusqu’à ce qu’une petite perle se forme à la pointe de la canule. Séchez la perle de la pointe de la canule et placez le modèle de gel sous la canule.Abaissez la canule jusqu’à ce que la pointe touche la surface du modèle de gel, et notez les mesures sur le bras stéréotaxique. Puis baisser en douceur et rapidement la canule dans le modèle de gel à la profondeur d’injection cible. S’assurer que la surface du gel s’est scellée autour de la canule et faire fonctionner la pompe tout en observant la propagation du dé jusqu’à ce que le volume cible ait été livré.En utilisant ce protocole, un modèle physique anatomiquement précis du cerveau des primates non humains peut être créé. De même, un modèle physique anatomiquement précis du crâne de primate extrait des images de résonance magnétique peut également être généré. Les modèles physiques du crâne et du cerveau peuvent être combinés avec un ajustement serré d’interférence, validant l’exactitude des deux modèles par rapport à l’un l’autre et légitimant les données extrapolées d’analyse d’IRM.L’insertion d’une craniotomie dans le crâne avant l’impression, permet la combinaison de toutes les parties de l’interface de l’échantillon pour l’évaluation de la géométrie de divers composants par rapport au crâne et au cerveau. Par exemple, dans cette expérience, les pieds du poteau de tête ont été manipulés et montés à la courbure du crâne à l’emplacement de l’implantation avant la procédure. Ce qui réduit le temps chirurgical d’environ 2,5 heures à une heure de l’ouverture à l’implantation, réduisant considérablement le risque de complications opératoires.Les modèles cérébraux de mélange d’agarose peuvent être injectés avec le colorant jaune dans une zone d’intérêt pour estimer le volume de l’infusion proposée et combiner le modèle d’agarose avec un crâne imprimé 3D peut être employé pour modéliser la chirurgie virale d’injection de vecteur. Compte tenu des variations de l’anatomie du crâne et du cerveau chez différents animaux, le succès dans le processus d’extraction nécessitera des ajustements dans les étapes itératives. Ainsi, cette boîte à outils peut être utilisée pour réduire les risques dans la neurochirurgie des primates non humains et les techniques de fabrication peuvent améliorer le processus expérimental à la fine pointe des neurosciences.

Research

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