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

Detta projekt fick stöd av Eunice Kennedy Shiver National Institute of Child Health & Mänsklig utveckling av National Institutes of Health under Award Number K12HD073945, Washington National Primate Research Center (WaNPCR, P51 OD010425), Center for Neurotechnology (CNT, en National Science Foundation Engineering Research Center under Grant EEC-1028725) och University of Washington Royalty Research Funds. Finansiering till Macknik och Martinez-Conde labs för detta projekt kom från en BRAIN Initiative NSF-NCS Award 1734887, samt NSF Awards 1523614 & 1829474, och SUNY Empire Innovator Stipendier till varje professor. Vi tackar Karam Khateeb för hans hjälp med agaros förberedelser, och Toni J Huan för teknisk hjälp.

Alla djurprocedurer godkändes av University of Washington Institute for Animal Care and Use Committee. Två manliga rhesus makaker (apa H: 14,9 kg och 7 år gammal, apa L: 14,8 kg och 6 år gamla) användes.
1. Bildförvärv
<ol><li>Transportera apan till en 3T MR-skanner och placera djuret i en MR-kompatibel stereotaxisk ram (Table of Materials).</li>
	<li>Registrera standarden T1 (flip vinkel = 8°, repetitionstid/ekotid = 7.5/3.69 s, matrisstorlek = 432 x 432 x 80, förv...

<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>

Denna artikel beskriver en verktygslåda för förberedelse för neurokirurgi i NHPs med hjälp av fysiska och CAD-modeller av skalle och hjärnan anatomi utvinns ur herr skanningar.
Medan de extraherade och 3D-tryckta skall- och hjärnmodellerna utformades speciellt för beredning av kraniotomioperationer och huvudpostimplantationer, lämpar sig metoden för flera andra tillämpningar. Som tidigare beskrivits möjliggör den fysiska modellen av skallen förböjning av huvudposten före operat...

Primatforskning har varit ett avgörande steg i utvecklingen av medicinsk forskning från djurmodeller till försök påmänniska 1,2. Detta är särskilt så i studien av neurovetenskap och neural teknik som det finns en stor fysiologisk och anatomisk diskrepans mellan gnagare hjärnor och de av icke-mänskliga primater (NHP)1,2,3. Med framväxande genetiska teknologier såsom kemogenetik, optogenetik, och kalcium avbildning som kräver genetisk modifiering av nervceller, neurala ingenjörsvetenskap forskning studerar neural funktion i NHP: s har fått särskild uppmärksamhet som en preklinisk modell för att förstå hjärnansfunktion 2,4,5,6,7,8,9,10,11,12,13,14,15,16. I de flesta NHP neurovetenskapliga experiment krävs neurokirurgiska åtgärder för implantation av olika enheter som huvudstolpar, stimulerings- och inspelningskammare, elektrodarrayer och optiska fönster4,5,6,7,10,11,13,14,15,17,18.
Nuvarande NHP labs använder en mängd olika metoder som ofta inkluderar ineffektiva metoder inklusive sedating djuret för att passa benen på en huvudpost och approximera krökning av skallen runt kraniotomi webbplats. Andra laboratorier passar huvudet post till skallen i kirurgi eller anställa mer avancerade metoder för att få de nödvändiga mätningarna för implantation som att analysera en NHP hjärnan atlas och magnetisk resonans (MR) skannar för att försöka uppskatta skallen krökningar2,10,11,16. Neurokirurgi i NHPs innebär också vätskeinjektioner, och laboratorier har ofta inget sätt att visualisera den projicerade injektionsplatsen ihjärnan 2,4,5,13,14 som enbart förlitar sig på stereotaxiska mätningar och jämförelse med MR-skanningar. Dessa metoder har en viss oundviklig osäkerhet från att inte kunna testa den fysiska kompatibiliteten hos alla de komplexa komponenterna i implantatet.
Därför finns det ett behov av en korrekt noninvasiv metod för neurokirurgisk planering i NHPs. Här presenterar vi ett protokoll och metodik för beredning av implantation och injektionsoperationer hos dessa djur. Hela processen härrör från MR-undersökningar, där hjärnan och skallen extraheras från data för att skapa tredimensionella (3D) modeller som sedan kan 3D-tryckta. Skallen och hjärnan modeller kan kombineras för att förbereda för kraniotomi operationer samt huvudet inlägg med en ökad nivå av noggrannhet. Hjärnmodellen kan också användas för att skapa en form för gjutning av en anatomiskt exakt gel modell av hjärnan. Gelhjärnan ensam och i kombination med en extraherad skalle kan användas för att förbereda sig för en mängd olika injektionsoperationer. Nedan kommer vi att beskriva vart och ett av de steg som krävs för MRI baserade verktygslådan för neurokirurgiska förberedelser.

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

a mri-based toolbox for neurosurgical planning in nonhuman primates

I detta dokument skisserar vi en metod för kirurgisk beredning som möjliggör praktisk planering av en mängd olika neurokirurgiries i NHPs enbart med hjälp av data som extraherats från magnetisk resonanstomografi (MRI). Detta protokoll möjliggör generering av 3D tryckta anatomiskt korrekta fysiska modeller av hjärnan och skallen, samt en agarosgel modell av hjärnan modellering några av de mekaniska egenskaperna hos hjärnan. Dessa modeller kan extraheras från MRT med hjälp av hjärnan extraktion programvara för modell av hjärnan, och anpassad kod för modellen av skallen. Preparatprotokollet drar nytta av state-of-the-art 3D-utskriftsteknik för att göra interfacing hjärnor, skallar och formar för gel hjärnans modeller. Skallen och hjärnan modeller kan användas för att visualisera hjärnvävnad inuti skallen med tillägg av en kraniotomi i den anpassade koden, vilket möjliggör bättre förberedelser för operationer direkt involvera hjärnan. Tillämpningarna av dessa metoder är utformade för operationer som är involverade i neurologisk stimulering och registrering samt injektion, men systemets mångsidighet möjliggör framtida expansion av protokollet, extraktionstekniker och modeller till ett bredare tillämpningsområde för operationer.

Manipuleringen och analysen av MRI som en preoperativ kraniotomiplaneringsåtgärd har använts framgångsriktunder de senaste 2,5,10,16. Denna process har dock förbättrats kraftigt genom tillägg av 3D-modellering av hjärnan, skallen, och craniotomy. Vi kunde framgångsrikt skapa en anatomiskt korrekt fysisk modell av hjärnan som återspeglade området av intresse för våra studier (<stro...

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

Den metod som beskrivs nedan syftar till att ge ett omfattande protokoll för beredning av icke-mänskliga primater (NHP) neurokirurgi med hjälp av en ny kombination av tredimensionella (3D) tryckmetoder och MRI data utvinning.

En MRI-baserad verktygslåda för neurokirurgisk planering hos icke-mänskliga primater

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

Detta protokoll är viktigt för det neurala ingenjörsområdet eftersom det erbjuder ett koncist och unimodalt förfarande som syftar till att förbättra precisionen och säkerheten för neurokirurgi hos icke-mänskliga primater. Denna teknik erbjuder forskare den unika förmågan att visualisera varje aspekt av deras implantation eller injektion förfarande, och säkerställer att de kan komma in i ett operationsrum så förberedd som möjligt. Visuell demonstration av denna metod är avgörande eftersom det belyser den inverkan och klarhet som naturlig storlek fysiska modeller kan ha på kirurgisk planering.För att extrahera hjärnan i programvaran för magnetisk resonanstomografi, öppna rullgardinsmenyn och välj extrahera hjärnan. Ställ in tröskeln för extraktionsintensitet på 2,5, 2,7 och tröskelvärdets gradientvärde till noll. Efter att du har skapat en bitmapp av hjärnbilden väljer du byggyta under bildmenyn och matar in den tröskel som används för att skapa bitmappen som innehåller den region av intresse.Klicka sedan på okej för att skapa ytan. Och spara den extraherade hjärnregionen av intresse som en NII eller NII. GZ fil.För att generera en hjärna modell, öppna extraherade hjärnan filen i lämplig medicinsk bildbehandling programvara. Och i menyn redaktör modul, välj tröskel effekt, justera tröskelvärdet intervall reglagen så den del av bitmappen som innehåller hjärnan är markerad i alla tre skivor. Öppna modell maker-modulen och i menyn involymer dropdown, välj bitmappsfilen.Under modeller väljer du skapa ny modellhierarki och klickar på använd för att skapa volymen. När den importerade näthjärnytan har importerats väljer du grafiskt en. Och undertrycka eventuella onödiga grafiska funktioner tills endast de funktioner som innehåller hjärnan finns kvar i filen.Sedan sparar du filerna i PRT-formatet för ytterligare manipulation, och som en STL för 3D-utskrift. För hjärnan gjutning, ladda extraherade hjärnan modellen i en lämplig datoriserad design program. Under de funktioner avsnitt av infoga menyn välja konvertera till mesh kropp och den grafiska kroppen av hjärnan för att konvertera den, och öppna denna skiss fliken och klicka på skiss för att välja den översta planet som skiss plan.Rita en rektangel runt hela halvklotet av intresse, och välj extrud boss bas funktionen att extrudera en kubisk rektangel som innehåller den övre delen av hjärnan. Under avsnittet funktioner i infoga-menyn, välj konvertera till nätkropp och välj extruderad kub i den fasta organ mappen för att konvertera den. Om du vill skapa det negativa utrymmet använder du funktionen kombinera och väljer alternativet subtrahera för att subtrahera modellen av hjärnan från den nyligen extruderade kuben.För skallen modellering, importera den snabba MPRAGE MRI i en lämplig matris manipulation programvara som en DICOM-fil. Och använda kommandona för att kombinera alla ramar i en enda 3D-matris som behövs. Se till att varje 2D-ram av matrisen visar ett koronalt segment och använda en större än operator för enskilda pixelvärden för att tröskelvärde 3D-matrisen för att skapa en binär mask.Justera sedan tröskeln så att skallens anatomi fångas upp av masken. För att ta bort muskulaturskiktet tar iterativt tag i ett 2D-segment från masken för att bearbeta varje ram från 3D-masken separat, och använd tilde-operatören för att invertera värdena på masken. Skallvärdena blir ettor.Utsidan och hjärnan kommer att ha värden på noll. Lägg till ytterligare tomma voxels till 3D-masken tills den lägsta upplösningsdimensionen på masken är större med en faktor som definieras av skalfaktorn. Och linjärt interpolera värden i masken tills masken fyller det nya utrymmet.Sedan exporterar du skallen som en STL-fil, eller en liknande filtyp för 3D-utskrift. För att skapa en craniotomy i 3D-skalle modellen, öppna MRI-filen och manuellt skanna fram och tillbaka genom 3D-matrisen för att identifiera den ungefärliga platsen för craniotomy med hjälp av anatomiska landmärken som finns i makak hjärnan atlas. För att skapa en agarosmögel, häll agaroslösning i en hel eller halv hjärnhalva-mögel och låta lösningen stelna inom formen i cirka två timmar.När agaros har satt, använd en spatel för att försiktigt ta bort gelmodellen från formen, var försiktig, inte skada ytan av formen. För en mock infusion av agaros gel modellen, montera en spruta pump på en stereotaxisk arm på en stereotaxisk ram och fylla en 250 microliter spruta med joniserat vatten. Fyll sprutan på sprutpumpen och fyll helt injektionskanylen med vattnet.Använd pumpföraren för att ladda målvolymen för livsmedelsfärg i sprutan för injektion. Och mata ut livsmedelsfärgen tills en liten pärla bildas på kanylens spets. Torka pärlan från kanylspetsen och placera gelmodellen under kanylen.Sänk kanylen tills spetsen vidrör gelmodellens yta, och notera mätningarna på stereotaxisk arm. Sänk sedan smidigt och snabbt kanylen i gelmodellen till målinjiceringsdjupet. Se till att gelens yta har förseglats runt kanylen och kör pumpen samtidigt som du observerar spridningen av döret tills målvolymen har levererats.Med hjälp av detta protokoll kan en anatomiskt korrekt fysisk modell av den icke-mänskliga primathjärnan skapas. På samma sätt kan en anatomiskt noggrann fysisk modell av primatskalleet som utvinns ur magnetiska resonansbilder också genereras. De fysiska modellerna av skallen och hjärnan kan kombineras med en tight interferenspassning, som validerar noggrannheten hos de två modellerna i förhållande till varandra och legitimerar de extrapolerade MR-analysdata.Införandet av en kraniotomi i skallen före utskrift, möjliggör kombination av alla de delar av provet gränssnittet för utvärdering av geometrin för olika komponenter i förhållande till skallen och hjärnan. Till exempel, i detta experiment, var fötterna på huvudet post manipuleras och monteras på krökning av skallen på platsen för implantation före ingreppet. Resulterar i en minskad kirurgisk tid från cirka 2,5 timmar till en timme från öppning till implantation, kraftigt minska risken för operativa komplikationer.Agarose blandning hjärnmodeller kan injiceras med gult färgämne i ett område av intresse för att uppskatta volymen av den föreslagna infusionen och kombinera agaros modellen med en 3D tryckt skalle kan användas för att modellera viral vektor injektion kirurgi. Med hänsyn till variationerna i skalle och hjärnans anatomi hos olika djur, kommer framgång i extraktionsprocessen att kräva justeringar i de iterativa stegen. Så denna verktygslåda kan användas för att minska risken i icke-mänskliga primater neurokirurgi och tillverkningsteknik kan förbättra den experimentella processen i framkant av neurovetenskap.

Research

JoVE Journal

Bioengineering

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

En metod för äggblåsa Inkapsling och kultur i ett Proteolytically Nedbrytbara 3 dimensionellt system

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

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

Tillverkning av elektrokemiska-DNA biosensorer för att Reagentless Upptäckt av nukleinsyror, proteiner och små molekyler

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

Att skapa två-dimensionell Mönstrad substrat för Protein och Cell inneslutning

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

Anpassning av en haptisk robot i en 3T fMRI

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

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

Cellular Lipid Extraction för riktade Stabil isotoputspädning Vätskekromatografi-masspektrometri Analys

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

Ompressning gentranskription genom att omdirigera cellulära maskineriet med kemiska epigenetiska modifierare

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

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

I silico modellering metod för Computational akvatisk toxikologi av hormonstörande ämnen: en programvarubaserad metod med QSAR Toolbox

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

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

En mänsklig 3D extracellulär matrix-Adipocyte kultur modell för att studera Matrix-cell metabola överhörning

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

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

Patient-specifika Polyvinyl Alkohol Phantom Tillverkning med ultraljud och röntgenkontrast för hjärntumör Kirurgi Planering

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