Name: a mri-based toolbox for neurosurgical planning in nonhuman primates
Uploaded: 2020-07-17T14:00:00
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Questo progetto è stato sostenuto dall'Eunice Kennedy Shiver National Institute of Child Health & Human Development dei National Institutes of Health con il numero di premio K12HD073945, dal Washington National Primate Research Center (WaNPCR, P51 OD010425), dal Center for Neurotechnology (CNT, un National Science Foundation Engineering Research Center sotto Grant EEC-1028725) e dai Fondi di ricerca sulla royalty dell'Università di Washington. I finanziamenti ai laboratori Macknik e Martinez-Conde per questo progetto provenivano da un BRAIN Initiative NSF-NCS Award 1734887, così come dai NSF Awards 1523614 & 1829474 e dalle borse di studio SUNY Empire Innovator per ogni professore. Ringraziamo Karam Khateeb per il suo aiuto nella preparazione dell'agarosio e Toni J Huan per l'aiuto tecnico.

Tutte le procedure sugli animali sono state approvate dal Comitato per la cura e l'uso degli animali dell'Università di Washington. Sono stati usati due macachi rhesus maschi (scimmia H: 14,9 kg e 7 anni, scimmia L: 14,8 kg e 6 anni).
1. Acquisizione di immagini
<ol><li>Trasportare la scimmia su uno scanner 3T MRI e posizionare l'animale in un telaio stereotassico compatibile con MR(Table of Materials).</li>
	<li>Registrare il T1 standard (angolo di capovolgimento = 8°, te...

<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>

Questo articolo descrive una cassetta degli attrezzi per la preparazione per neurochirurgia in NSP utilizzando modelli fisici e CAD di anatomia del cranio e del cervello estratti dalle scansioni MR.
Mentre i modelli di cranio e cervello estratti e stampati in 3D sono stati progettati specificamente per la preparazione di interventi chirurgici craniotomici e post implantazioni della testa, la metodologia si presta a diverse altre applicazioni. Come descritto in precedenza, il modello fisico del...

La ricerca sui primati è stata un passo fondamentale nella progressione della ricerca medica dai modelli animali alle sperimentazionisull'uomo 1,2. Ciò è particolarmente vero nello studio delle neuroscienze e dell'ingegneria neurale in quanto esiste una grande discrepanza fisiologica e anatomica tra il cervello dei roditori e quelli dei primati non umani (NHP)1,2,3. Con tecnologie genetiche emergenti come la chemiogenetica, l'optogenetica e l'imaging del calcio che richiedono la modificazione genetica dei neuroni, la ricerca sull'ingegneria neurale che studia la funzione neurale negli NHP ha acquisito particolare attenzione come modello preclinico per la comprensionedella funzione cerebrale 2,4,5,6,7,8,9,10,11,12,13,14,15,16. Nella maggior parte degli esperimenti di neuroscienze NHP, sono necessarie misure neurochirurgiche per l'impianto di vari dispositivi come pali della testa, camere di stimolazione e registrazione, array di elettrodi e finestre ottiche4,5,6,7,10,11,13,14,15,17,18.
Gli attuali laboratori NHP usano una varietà di metodi che spesso includono pratiche inefficaci tra cui sedare l'animale per adattarsi alle gambe di un palo della testa e approssimare la curvatura del cranio intorno al sito di craniotomia. Altri laboratori si adattano al palo della testa al cranio in chirurgia o impiegano metodi più avanzati per ottenere le misure necessarie per l'impianto come l'analisi di un atlante cerebrale NHP e scansioni di risonanza magnetica (MR) per cercare di stimare le curvature delcranio 2,10,11,16. Le neurochirurgia negli NSP coinvolgono anche iniezioni di liquidi e i laboratori spesso non hanno modo di visualizzare la posizione di iniezione proiettataall'interno del cervello 2,4,5,13,14 basandosi esclusivamente su misurazioni stereotassiche e confronto con le scansioni MR. Questi metodi hanno un grado di inevitabile incertezza dall'essere in grado di testare la compatibilità fisica di tutti i componenti complessi dell'impianto.
Pertanto, è necessario un metodo non invasivo accurato per la pianificazione neurochirurgica negli NSP. Qui, presentiamo un protocollo e una metodologia per la preparazione di interventi chirurgici di impianto e iniezione in questi animali. L'intero processo deriva dalle scansioni MRI, in cui il cervello e il cranio vengono estratti dai dati per creare modelli tridimensionali (3D) che possono quindi essere stampati in 3D. I modelli del cranio e del cervello possono essere combinati per prepararsi agli interventi di craniotomia e ai posti della testa con un maggiore livello di precisione. Il modello cerebrale può anche essere utilizzato per creare uno stampo per la fusione di un modello di gel anatomicamente accurato del cervello. Il cervello gel da solo e in combinazione con un cranio estratto può essere utilizzato per prepararsi per una varietà di interventi chirurgici di iniezione. Di seguito descriveremo ciascuno dei passaggi necessari per la cassetta degli attrezzi basata sulla risonanza prima per la preparazione neurochirurgica.

<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 questo documento, delineamo un metodo per la preparazione chirurgica che consente la pianificazione pratica di una varietà di neurochirurgia negli NSP esclusivamente utilizzando dati estratti dalla risonanza magnetica (MRI). Questo protocollo consente la generazione di modelli fisici anatomicamente accurati stampati in 3D del cervello e del cranio, nonché un modello di gel di agarosio del cervello che modella alcune delle proprietà meccaniche del cervello. Questi modelli possono essere estratti dalla risonanza prima utilizzando il software di estrazione cerebrale per il modello del cervello e il codice personalizzato per il modello del cranio. Il protocollo di preparazione sfrutta la tecnologia di stampa 3D all'avanguardia per realizzare cervelli, teschi e stampi interfaccianti per modelli cerebrali in gel. I modelli del cranio e del cervello possono essere utilizzati per visualizzare il tessuto cerebrale all'interno del cranio con l'aggiunta di una craniotomia nel codice personalizzato, consentendo una migliore preparazione per gli interventi chirurgici che coinvolgono direttamente il cervello. Le applicazioni di questi metodi sono progettate per gli interventi chirurgici coinvolti nella stimolazione neurologica e nella registrazione, nonché nell'iniezione, ma la versatilità del sistema consente una futura espansione del protocollo, delle tecniche di estrazione e dei modelli a una più ampia gamma di interventi chirurgici.

La manipolazione e l'analisi delle MRI come misura di pianificazione della craniotomia preoperatoria è stata utilizzata con successo negliultimi 2,5,10,16. Questo processo, tuttavia, è stato notevolmente migliorato dall'aggiunta della modellazione 3D del cervello, del cranio e della craniotomia. Siamo stati in grado di creare con successo un modello fisico anatomicamente accurato del cervello...

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A MRI-Based Toolbox for Neurosurgical Planning in Nonhuman Primates

Il metodo descritto di seguito mira a fornire un protocollo completo per la preparazione della neurochirurgia dei primati non umani (NHP) utilizzando una nuova combinazione di metodi di stampa tridimensionali (3D) ed estrazione di dati MRI.

Una cassetta degli attrezzi basata sulla risonanza testurtica per la pianificazione neurochirurgica in primati non umani

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 ...

Questo protocollo è significativo per il campo dell'ingegneria neurale perché offre una procedura concisa e unimodale progettata per migliorare la precisione e la sicurezza della neurochirurgia nei primati non umani. Questa tecnica offre ai ricercatori la capacità unica di visualizzare ogni aspetto della loro procedura di impianto o iniezione e garantisce che possano entrare in una sala operatoria il più preparata possibile. La dimostrazione visiva di questo metodo è fondamentale perché evidenzia l'impatto e la chiarezza che i modelli fisici a grandezza naturale possono avere sulla pianificazione chirurgica.Per estrarre il cervello nel software di risonanza magnetica, aprire il menu a discesa dei plugin e selezionare il cervello estratto. Impostare la soglia di intensità di estrazione su 2,5, 2,7 e il valore del gradiente di soglia su zero. Dopo aver creato una bitmap dell'immagine cerebrale, selezionare la superficie di compilazione sotto il menu immagine e immettere la soglia utilizzata per creare la bitmap contenente l'area di interesse.Quindi fare clic su OK per creare la superficie. E salvare la regione cerebrale estratta di interesse come NII o NII. GZ.Per generare un modello cerebrale, aprire il file cerebrale estratto nel software di elaborazione delle immagini mediche appropriato. E nel menu del modulo editor, selezionare l'effetto soglia, regolare i cursori dell'intervallo di soglia in modo che la parte della bitmap contenente il cervello sia evidenziata in tutte e tre le fette. Aprire il modulo creatore di modelli e nel menu a discesa volumi di input selezionare il file bitmap.In Modelli selezionare Crea nuova gerarchia di modelli e fare clic su Applica per creare il volume. Quando la superficie cerebrale della mesh importata è stata importata, selezionare una grafica. E sopprimere eventuali funzionalità grafiche non necessarie fino a quando solo le funzionalità contenenti il cervello rimangono nel file.Quindi, salvare i file nel formato PRT per ulteriori manipolazioni e come STL per la stampa 3D. Per lo stampaggio cerebrale, caricare il modello cerebrale estratto in un programma software di progettazione computerato appropriato. Nella sezione feature del menu inserisci selezionare converti in corpo mesh e corpo grafico del cervello per convertirlo, quindi aprire questa scheda di schizzo e fare clic su Schizzo per selezionare il piano superiore come piano di sketch.Disegna un rettangolo intorno all'intero emisfero di interesse e seleziona la funzione di base del boss estruso per estrudere un rettangolo cubico contenente la parte superiore del cervello. Nella sezione Feature del menu inserisci (Insert), selezionate converti in corpo mesh e selezionate il cubo estruso nella cartella corpi solidi per convertirlo. Per creare lo spazio negativo, utilizzate la feature di combinazione e selezionate l'opzione sottrai per sottrarre il modello del cervello dal cubo appena estruso.Per la modellazione del teschio, importare la risonanza rapida MPRAGE in un programma software di manipolazione delle matrici appropriato come file DICOM. E usa i comandi per combinare tutti i fotogrammi in un'unica matrice 3D, se necessario. Assicurate che ogni fotogramma 2D della matrice visualizza una sezione coronale e usate un operatore maggiore di per i singoli valori di pixel per sogliare la matrice 3D per creare una maschera binaria.Quindi regolare la soglia in modo che l'anatomia del cranio sia catturata dalla maschera. Per rimuovere il livello di muscolatura, afferrare iterativamente una fetta 2D dalla maschera per elaborare ogni fotogramma dalla maschera 3D separatamente e utilizzare l'operatore tilde per invertire i valori della maschera. I valori del cranio saranno quelli.L'esterno e il cervello avranno valori pari a zero. Aggiungere ulteriori voxel vuoti alla maschera 3D fino a quando la dimensione di risoluzione più bassa della maschera non è maggiore di un fattore definito dal fattore di scala. E interpolare linearmente i valori nella maschera fino a quando la maschera riempie il nuovo spazio.Quindi, esportare il teschio come file STL o un tipo di file simile per la stampa 3D. Per creare una craniotomia nel modello del cranio 3D, aprire il file MRI e scansionare manualmente avanti e indietro attraverso la matrice 3D per identificare la posizione approssimativa della craniotomia usando punti di riferimento anatomici trovati nell'atlante cerebrale macaco. Per creare uno stampo di agarosio, versare la soluzione di agarosio in uno stampo cerebrale completo o mezzo emisfero e consentire alla soluzione di solidificarsi all'interno dello stampo per circa due ore.Quando l'agarosio è impostato, utilizzare una spatola per rimuovere delicatamente il modello di gel dallo stampo, facendo attenzione, non danneggiare la superficie dello stampo. Per una finta infusione del modello di gel di agarosio, montare una pompa per siringhe su un braccio stereotassico su un telaio stereotassico e riempire una siringa da 250 microliter con l'acqua ionizzata. Caricare la siringa sulla pompa della siringa e riempire completamente la cannula di iniezione con l'acqua.Utilizzare il driver della pompa per caricare il volume target di colorante alimentare nella siringa per iniezione. Ed espellere la colorazione del cibo fino a quando una piccola perla si forma sulla punta della cannula. Asciugare la perla dalla punta della cannula e posizionare il modello di gel sotto la cannula.Abbassare la cannula fino a quando la punta tocca la superficie del modello di gel e notare le misure sul braccio stereotassico. Quindi abbassare uniformemente e rapidamente la cannula nel modello di gel alla profondità di iniezione del bersaglio. Assicurarsi che la superficie del gel si sia sigillata intorno alla cannula ed eseguire la pompa osservando la diffusione dello dao fino a quando il volume di destinazione non è stato consegnato.Usando questo protocollo, è possibile creare un modello fisico anatomicamente accurato del cervello dei primati non umani. Allo stesso modo, può anche essere generato un modello fisico anatomicamente accurato del cranio del primate estratto dalle immagini di risonanza magnetica. I modelli fisici del cranio e del cervello possono essere combinati con una stretta vestibilità di interferenza, convalidando l'accuratezza dei due modelli l'uno rispetto all'altro e legittimando i dati di analisi della risonanza prima estrapolati.L'inserimento di una craniotomia nel cranio prima della stampa, consente la combinazione di tutte le parti dell'interfaccia del campione per la valutazione della geometria di vari componenti in relazione al cranio e al cervello. Ad esempio, in questo esperimento, i piedi del palo della testa sono stati manipolati e montati sulla curvatura del cranio nel punto dell'impianto prima della procedura. Con conseguente riduzione del tempo chirurgico da circa 2,5 ore a un'ora dall'apertura all'impianto, riducendo notevolmente il rischio di complicanze operative.I modelli cerebrali della miscela di agarosio possono essere iniettati con colorante giallo in un'area di interesse per stimare il volume dell'infusione proposta e combinare il modello di agarosio con un cranio stampato in 3D può essere utilizzato per modellare la chirurgia dell'iniezione vettoriale virale. Tenendo conto delle variazioni nell'anatomia del cranio e del cervello in diversi animali, il successo nel processo di estrazione richiederà regolazioni nelle fasi iterativi. Quindi questa cassetta degli attrezzi può essere usata per ridurre il rischio nella neurochirurgia dei primati non umani e le tecniche di fabbricazione possono migliorare il processo sperimentale all'avanguardia delle neuroscienze.

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