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

Dieses Projekt wurde vom Eunice Kennedy Shiver National Institute of Child Health & Human Development der National Institutes of Health unter der Award-Nummer K12HD073945, dem Washington National Primate Research Center (WaNPCR, P51 OD010425), dem Center for Neurotechnology (CNT, einem National Science Foundation Engineering Research Center unter Grant EEC-1028725) und der University of Washington Royalty Research Funds unterstützt. Die Finanzierung der Macknik- und Martinez-Conde-Labore für dieses Projekt erfolgte durch einen BRAIN Initiative NSF-NCS Award 1734887 sowie NSF Awards 1523614 & 1829474 und SUNY Empire Innovator Scholarships an jeden Professor. Wir danken Karam Khateeb für seine Hilfe bei der Agarose-Vorbereitung und Toni J Huan für die technische Hilfe.

Alle tiertierischen Verfahren wurden vom University of Washington Institute for Animal Care and Use Committee genehmigt. Es wurden zwei männliche Rhesusmakaken (Affe H: 14,9 kg und 7 Jahre alt, Affe L: 14,8 kg und 6 Jahre alt) verwendet.
1. Bildaufnahme
<ol><li>Transportieren Sie den Affen zu einem 3T MRT-Scanner und legen Sie das Tier in einen MR-kompatiblen stereotaxic Rahmen (Tabelle der Materialien).</li>
	<li>Zeichnen Sie den Standard T1 auf (Flip-Winkel = 8°, Wiederh...

<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>

Dieser Artikel beschreibt eine Toolbox zur Vorbereitung von Neurosurgerien in NHPs unter Verwendung von physikalischen und CAD-Modellen der Schädel- und Hirnanatomie, die aus MR-Scans extrahiert wurden.
Während die extrahierten und 3D-gedruckten Schädel- und Hirnmodelle speziell für die Vorbereitung von Craniotomieoperationen und Kopfpfostenimplantationen entwickelt wurden, eignet sich die Methodik für mehrere andere Anwendungen. Wie bereits beschrieben, ermöglicht das physikalische Mode...

Primatenforschung war ein entscheidender Schritt in der Entwicklung der medizinischen Forschung von Tiermodellen zu Studien am Menschen1,2. Dies gilt insbesondere für die Erforschung der Neurowissenschaften und der neuronalen Technik, da es eine große physiologische und anatomische Diskrepanz zwischen Nagetierhirnen und denen nichtmenschlicher Primaten (NHP)1,2,3gibt. Mit aufkommenden genetischen Technologien wie Chemogenetik, Optogenetik und Kalzium-Bildgebung, die genetische Modifikation von Neuronen erfordern, hat die neuronale Ingenieurforschung, die die neuronale Funktion in NHP untersucht, besondere Aufmerksamkeit als präklinisches Modell für das Verständnis der Gehirnfunktion2,4,5,6,7,8,9,10,11,12,13,14,15,16. In den meisten Neurowissenschaftsexperimenten von NHP sind neurochirurgische Maßnahmen für die Implantation verschiedener Geräte wie Kopfpfosten, Stimulations- und Aufnahmekammern, Elektrodenarrays und optische Fenster4,5,6,7,10,11,13,14,15,17,18.
Aktuelle NHP-Labore verwenden eine Vielzahl von Methoden, die oft ineffektive Praktiken einschließlich sedieren des Tieres, um die Beine eines Kopfpfostens passen und nähern die Krümmung des Schädels um die Craniotomie-Stelle. Andere Labore passen den Kopfpfosten in der Chirurgie in den Schädel oder verwenden fortschrittlichere Methoden, um die notwendigen Messungen für die Implantation zu gewinnen, wie die Analyse eines NHP-Gehirnatlas und Magnetresonanz-Scans, um zu versuchen, Schädelkrümmungen2,10,11,16zu schätzen. Neurosurgerien in NHPs beinhalten auch Flüssigkeitsinjektionen, und Labore haben oft keine Möglichkeit, die projizierte Injektionsposition im Gehirn zu visualisieren2,4,5,13,14 ausschließlich auf stereotaxic Messungen und Vergleich mit MR-Scans. Diese Methoden haben eine gewisse unvermeidbare Unsicherheit, da sie nicht in der Lage sind, die physikalische Verträglichkeit aller komplexen Komponenten des Implantats zu testen.
Daher ist eine genaue nichtinvasive Methode für die neurochirurgische Planung in NHPs erforderlich. Hier stellen wir ein Protokoll und eine Methodik zur Vorbereitung von Implantations- und Injektionsoperationen bei diesen Tieren vor. Der gesamte Prozess stammt aus MRT-Scans, bei denen Gehirn und Schädel aus den Daten extrahiert werden, um dreidimensionale (3D) Modelle zu erstellen, die dann 3D-gedruckt werden können. Die Schädel- und Hirnmodelle können kombiniert werden, um sich auf Craniotomieoperationen sowie Kopfpfosten mit erhöhter Genauigkeit vorzubereiten. Das Gehirnmodell kann auch verwendet werden, um eine Form für das Gießen eines anatomisch genauen Gelmodells des Gehirns zu erstellen. Das Gel-Gehirn allein und in Kombination mit einem extrahierten Schädel kann verwendet werden, um für eine Vielzahl von Injektionsoperationen vorzubereiten. Im Folgenden beschreiben wir jeden der Schritte, die für die MRT-basierte Toolbox für die neurochirurgische Präparation erforderlich sind.

<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

In diesem Beitrag skizzieren wir ein Verfahren zur chirurgischen Präparation, das die praktische Planung einer Vielzahl von Neurooperationen in NHPs ausschließlich anhand von Daten aus der Magnetresonanztomographie (MRT) ermöglicht. Dieses Protokoll ermöglicht die Generierung von 3D-gedruckten anatomisch genauen physikalischen Modellen des Gehirns und des Schädels sowie eines Agarose-Gel-Modells des Gehirns, das einige der mechanischen Eigenschaften des Gehirns modelliert. Diese Modelle können aus der MRT mit Gehirnextraktionssoftware für das Modell des Gehirns extrahiert werden, und benutzerdefinierter Code für das Modell des Schädels. Das Vorbereitungsprotokoll nutzt modernste 3D-Drucktechnologie, um Schnittstellen gehirn, schädelund formt für Gel-Gehirnmodelle herzustellen. Die Schädel- und Hirnmodelle können verwendet werden, um Hirngewebe im Schädel mit der Zugabe einer Kraniotomie im benutzerdefinierten Code zu visualisieren, was eine bessere Vorbereitung für Operationen ermöglicht, die direkt das Gehirn betreffen. Die Anwendungen dieser Methoden sind für Operationen im Zusammenhang mit neurologischer Stimulation und Aufzeichnung sowie Injektion konzipiert, aber die Vielseitigkeit des Systems ermöglicht eine zukünftige Erweiterung des Protokolls, Extraktionstechniken und Modelle auf ein breiteres Spektrum von Operationen.

Die Manipulation und Analyse von MRTs als präoperative Craniotomie-Planungsmaßnahme wurde in denletzten2,5,10,16erfolgreich eingesetzt. Dieser Prozess wurde jedoch durch die Zugabe der 3D-Modellierung des Gehirns, schädel, und Craniotomie erheblich verbessert. Wir waren in der Lage, erfolgreich ein anatomisch genaues physikalisches Modell des Gehirns zu erstellen, das den Interessenbereich f...

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

Die nachstehende Methode zielt darauf ab, ein umfassendes Protokoll für die Herstellung der nichtmenschlichen Primaten-Neurochirurgie (NHP) mit einer neuartigen Kombination aus dreidimensionalen (3D) Druckverfahren und MRT-Datenextraktion bereitzustellen.

Eine MRT-basierte Toolbox für neurochirurgische Planung bei nichtmenschlichen Primaten

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 ...

Dieses Protokoll ist für den bereichleitenden Ingenieurssektor von Bedeutung, da es ein prägnantes und unimodales Verfahren bietet, das entwickelt wurde, um die Präzision und Sicherheit der Neurochirurgie bei nichtmenschlichen Primaten zu verbessern. Diese Technik bietet Forschern die einzigartige Möglichkeit, jeden Aspekt ihrer Implantation oder Injektion zu visualisieren, und stellt sicher, dass sie einen Operationssaal so vorbereitet wie möglich betreten können. Die visuelle Demonstration dieser Methode ist von entscheidender Bedeutung, da sie die Auswirkungen und die Klarheit hervorhebt, die lebensgroße physikalische Modelle auf die chirurgische Planung haben können.Um das Gehirn in der Magnetresonanztomographie-Software zu extrahieren, öffnen Sie das Dropdown-Menü der Plugins und wählen Sie Extrakt Gehirn. Legen Sie den Extraktionsintensitätsschwellenwert auf 2,5, 2,7 und den Schwellenwert für den Gradientenwert auf Null fest. Nachdem Sie eine Bitmap des Gehirnbildes erstellt haben, wählen Sie unter dem Bildmenü build surface aus, und geben Sie den Schwellenwert ein, der zum Erstellen der Bitmap verwendet wird, die den Interessenbereich enthält.Klicken Sie dann auf OKAY, um die Oberfläche zu erstellen. Und speichern Sie die extrahierte Hirnregion von Interesse als NII oder NII. GZ-Datei.Um ein Gehirnmodell zu generieren, öffnen Sie die extrahierte Gehirndatei in der entsprechenden medizinischen Bildverarbeitungssoftware. Und wählen Sie im Editormodulmenü den Schwellenwerteffekt aus, passen Sie die Schieberegler für den Schwellenwertbereich an, damit der Teil der Bitmap, der das Gehirn enthält, in allen drei Slices hervorgehoben wird. Öffnen Sie das Modell-Maker-Modul, und wählen Sie im Dropdown-Menü Eingabevolumina die Bitmapdatei aus.Wählen Sie unter Modelle neue Modellhierarchie erstellen aus, und klicken Sie auf Anwenden, um das Volume zu erstellen. Wenn die importierte Netzhirnoberfläche importiert wurde, wählen Sie Grafik aus. Und unterdrücken Sie alle unnötigen grafischen Features, bis nur die Features, die das Gehirn enthalten, in der Datei verbleiben.Speichern Sie dann die Dateien im PRT-Format zur weiteren Bearbeitung und als STL für den 3D-Druck. Für das Gehirnformen, laden Sie das extrahierte Gehirnmodell in ein entsprechendes computergesteuertes Design-Softwareprogramm. Wählen Sie im Features-Bereich des Menüs Einfügen "In Netzkörper und den grafischen Körper des Gehirns konvertieren" aus, und öffnen Sie diese Skizzierungsregisterkarte, und klicken Sie auf Skizze, um die obere Ebene als Skizzierebene auszuwählen.Zeichnen Sie ein Rechteck um die gesamte Hemisphäre von Interesse, und wählen Sie das Extrudieren Boss Basis-Feature, um ein kubisches Rechteck mit dem oberen Teil des Gehirns zu extrudieren. Wählen Sie im Menü Features des Menüs Einfügen aus, und wählen Sie den extrudierten Würfel im Ordner "Volumenkörper" aus, um ihn zu konvertieren. Um den negativen Raum zu erstellen, verwenden Sie das Kombinations-Feature, und wählen Sie die Subtrahierungsoption aus, um das Modell des Gehirns vom neu extrudierten Würfel zu subtrahieren.Importieren Sie für die Schädelmodellierung das schnelle MPRAGE MRT als DICOM-Datei in ein entsprechendes Matrix-Manipulationssoftwareprogramm. Und verwenden Sie die Befehle, um alle Frames bei Bedarf in einer einzigen 3D-Matrix zu kombinieren. Stellen Sie sicher, dass jeder 2D-Frame der Matrix ein koronales Slice anzeigt, und verwenden Sie einen größer als Operator für einzelne Pixelwerte, um die 3D-Matrix zu schwellenwerten, um eine binäre Maske zu erstellen.Passen Sie dann die Schwelle so an, dass die Schädelanatomie von der Maske erfasst wird. Um die Muskulaturschicht zu entfernen, greifen Sie iterativ ein 2D-Slice aus der Maske, um jeden Frame aus der 3D-Maske separat zu verarbeiten, und verwenden Sie den Tildenoperator, um die Werte der Maske umzukehren. Die Schädelwerte werden eins sein.Außen und Gehirn haben Werte von Null. Fügen Sie der 3D-Maske zusätzliche leere Voxel hinzu, bis die Dimension mit der niedrigsten Auflösung der Maske um einen Faktor größer ist, der durch den Skalierungsfaktor definiert wird. Und interpoliert die Werte in der Maske linear, bis die Maske den neuen Raum ausfüllt.Exportieren Sie dann den Schädel als STL-Datei oder einen ähnlichen Dateityp für den 3D-Druck. Um eine Kraniotomie im 3D-Schädelmodell zu erstellen, öffnen Sie die MRT-Datei und scannen manuell durch die 3D-Matrix hin und her, um die ungefähre Position der Kraniotomie anhand anatomischer Landmarken im Makaken-Gehirnatlas zu identifizieren. Um eine Agarose-Form zu erstellen, gießen Sie Agarose-Lösung in eine volle oder halbe Hemisphäre Gehirnform und lassen Sie die Lösung innerhalb der Form für etwa zwei Stunden zu erstarren.Wenn die Agarose gesetzt hat, verwenden Sie einen Spachtel, um das Gelmodell vorsichtig aus der Form zu entfernen, wobei darauf zu achten ist, dass die Oberfläche der Form nicht beschädigt wird. Für eine Mock-Infusion des Agarose-Gel-Modells eine Spritzenpumpe auf einen stereotaxic-Arm auf einem stereotaxic-Rahmen montieren und eine 250-Mikroliter-Spritze mit dem ionisierten Wasser füllen. Laden Sie die Spritze auf die Spritzenpumpe und füllen Sie die Injektionskanüle vollständig mit dem Wasser.Verwenden Sie den Pumpentreiber, um das Zielvolumen der Lebensmittelfarbe zur Injektion in die Spritze zu laden. Und werfen Sie die Lebensmittelfarbe aus, bis sich an der Spitze der Kanüle eine kleine Perle bildet. Trocknen Sie die Perle von der Kanülenspitze und positionieren Sie das Gelmodell unter der Kanüle.Senken Sie die Kanüle, bis die Spitze die Oberfläche des Gelmodells berührt, und beachten Sie die Messungen am stereotaxic Arm. Dann sanft und schnell senken Sie die Kanüle in das Gelmodell auf die Zielinjektionstiefe. Sicherstellen, dass die Oberfläche des Gels um die Kanüle herum versiegelt ist und die Pumpe laufen lässt, während die Ausbreitung der Matrize beobachtet wird, bis das Zielvolumen geliefert ist.Mit diesem Protokoll kann ein anatomisch genaues physikalisches Modell des nicht-menschlichen Primatenhirns erstellt werden. Ebenso kann ein anatomisch genaues physikalisches Modell des Primatenschädels erzeugt werden, das aus Magnetresonanzbildern extrahiert wird. Die physikalischen Modelle des Schädels und des Gehirns können mit einer engen Interferenzpassung kombiniert werden, die die Genauigkeit der beiden Modelle relativ zueinander validiert und die extrapolierten MRT-Analysedaten legitimiert.Das Einbringen einer Kraniotomie in den Schädel vor dem Druck ermöglicht die Kombination aller Teile der Probenschnittstelle zur Auswertung der Geometrie verschiedener Komponenten in Bezug auf Schädel und Gehirn. In diesem Experiment wurden beispielsweise die Füße des Kopfpfostens manipuliert und vor dem Eingriff an die Krümmung des Schädels an der Stelle der Implantation angepasst. Dies führte zu einer reduzierten Operationszeit von ca. 2,5 Stunden auf eine Stunde von der Öffnung bis zur Implantation, wodurch das Risiko operativer Komplikationen erheblich reduziert wird.Agarose-Mischung Gehirnmodelle können mit gelben Farbstoff in einem Bereich von Interesse injiziert werden, um das Volumen der vorgeschlagenen Infusion zu schätzen und die Kombination des Agarose-Modells mit einem 3D-gedruckten Schädel kann verwendet werden, um virale Vektorinjektion Chirurgie zu modellieren. Unter Berücksichtigung der Variationen der Schädel- und Hirnanatomie bei verschiedenen Tieren erfordert der Erfolg des Extraktionsprozesses Anpassungen in den iterativen Schritten. So kann diese Toolbox verwendet werden, um das Risiko in der nicht-menschlichen Primaten-Neurochirurgie zu reduzieren und die Herstellungstechniken können den experimentellen Prozess an der Spitze der Neurowissenschaften verbessern.

Research

JoVE Journal

Bioengineering

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

Eine Methode zur Ovarialfollikel Encapsulation und Kultur in einem Proteolytisch 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 ...

Forschung

Biotechnik

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

Herstellung von elektrochemischen DNA Biosensoren für die Reagenzienfreier Nachweis von Nukleinsäuren, Proteinen und kleinen Molekülen

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

Erstellen Zweidimensionale Patterned Substrate für Protein-und Zell-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

Anpassung eines Haptic Robot in einem 3T fMRT

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 Lipidextraktion für Targeted Stable Isotope Dilution Flüssigchromatographie-Massenspektrometrie-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

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

Gentranskription durch Umleiten zellulären Maschinerie mit chemischen epigenetische Modifikatoren zu unterdrücken

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

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

Ein menschliches 3D extrazelluläres Matrix-Adipozyten-Kulturmodell zum Studium der Matrix-Zell Metabolischen 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

Patientenspezifische Polyvinylalkohol-Phantomfertigung mit Ultraschall- und Röntgenkontrast für die Planung von Hirntumorchirurgie

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