Name: implantation and control of wireless, battery-free systems for peripheral nerve interfacing
Uploaded: 2021-10-20T15:00:00
Duration: 7 min 13 s
Description: Watch this Scientific Journal Video about Implantation and Control of Wireless, Battery-free Systems for Peripheral Nerve Interfacing at JoVE.com

В этой работе использовалась база NUFAB Центра NUANCE Северо-Западного университета, которая получила поддержку от SHyNE Resource (NSF ECCS-1542205), IIN и программы MRSEC Северо-Западного университета (NSF DMR-1720139). В этой работе использовалась установка MatCI, поддерживаемая программой MRSEC Национального научного фонда (DMR-1720139) в Центре исследования материалов Северо-Западного университета. C.K.F выражает признательность за поддержку со стороны Института детского здоровья и развития человека им. Юнис Кеннеди Шрайвер Национального института здоровья (NIH) (грант No R03HD101090) и Американского нервно-мышечного фонда (грант на развитие). Ю.Х. выражает признательность за поддержку со стороны NSF (грант No. CMMI1635443). Эта работа была поддержана Институтом биоэлектроники Куэрри Симпсона при Северо-Западном университете.

Конфликт интересов у авторов отсутствует.

В этой статье описываются этапы хирургической имплантации и эксплуатации беспроводных, безбатарейных и полностью имплантируемых интерфейсов периферических нервов в модели седалищного и диафрагмального нервов крысы. Мы демонстрируем, как этот новый класс биомедицинских имплантатов может быть использован для создания терапевтической парадигмы электростимуляции, которая, как было показано, усиливает регенерацию аксонов в доклинических и клинических исследованиях (обзор см.в разделе 22). Этот протокол прост и может быть экстраполирован на более мелкие модели животных, таких как мыши21, а также на другие беспроводные, безбатарейные и полностью имплантируемые устройства с функциональностью, которая включает оптоэлектронные и микрофлюидные интерфейсы периферических нервов 18,23,24,25,26,27,28,29,30 . Также продемонстрирован подход с использованием седалищного нерва грызуна, который является наиболее распространенной экспериментальной моделью31.
Универсальность этого подхода была продемонстрирована, когда он был адаптирован к взаимодействию с диафрагмальным нервом, который редко используется в качестве модели повреждения периферических нервов32, возможно, потому, что это крайне недооцененная клиническая проблема 33,34,35. Диагностика и реабилитация при повреждении диафрагмального нерва стали важным вопросом во время пандемии COVID-19 36,37,38. В настоящее время неизвестно, может ли регенерация диафрагмальных аксонов и восстановление после паралича диафрагмы быть дополнена этой короткой парадигмой низкочастотной электростимуляции. Тем не менее, электрическая стимуляция диафрагмального нерва для стимуляции диафрагменных мышц является признанным вариантом лечения дыхательной недостаточности у пациентов с тетраплегией из-за высокой травмы шейного отдела спинного мозга 39,40,41,42,43. Изучаются и другие показания, в том числе отлучение от аппарата искусственной вентиляции легких после критического заболевания44.
Для обеспечения хорошей работы имплантируемой системы следует выделить несколько важных шагов. Во-первых, важно избегать приложения слишком больших усилий к тонким электронным компонентам устройств при обращении с ними, чтобы предотвратить деизоляцию свинца, перегиб или поломку. Далее важно точно отметить расположение катушки радиочастотного силового комбайна на вышележащей обшивке. В-третьих, тщательное совмещение передающей катушки внешнего радиочастотного источника питания с катушкой силового комбайна имплантируемого устройства с зажимом на гусиной стойке позволяет обеспечить стабильную работу. Наконец, для подтверждения электростимуляции в дополнение к визуальному наблюдению за мышечными подергиваниями рекомендуется периодический нейрофизиологический мониторинг. В случае более сложной анатомии диафрагмального нерва в области шеи электрофизиологическое подтверждение помогает продемонстрировать, что был выделен правильный нерв (рис. 6).
Помимо беспроводных, безбатарейных электростимуляторов, показанных в этой статье 18,19,21, многие другие устройства, потенциально использующие те же процедуры. Например, поскольку электроды, предназначенные для имплантации в языкоглоточный и блуждающий нервы для хронической регистрации сигналов от симпатической и парасимпатической нервных систем 30,45,46, имеют ту же хирургическую область, что и диафрагмальный нерв, этот протокол может быть адаптирован для их имплантации. Беспроводные долгосрочные биосовместимые стимуляторы для периферических нервов, такие как ReStore, являются отличными инструментами, чтобы оставаться на месте и стимулировать нервы по мере необходимости 25,47,48,49,50. Также сообщалось о соответствующих многоканальных имплантатах беспроводной записи51. В целом, мы считаем, что эти протоколы хирургической и электрической стимуляции могут быть адаптированы в качестве стандарта для всех беспроводных периферических нервов, связанных с электростимуляцией или записью.

Травматические повреждения периферических нервов (ПНИ) встречаются в США с ежегодной частотой около 200 000 вгод1. Большинство пациентов, страдающих ПНИ, остаются с постоянными функциональными нарушениями. В худшем случае это может привести к параличу мышц и вызвать резистентную к лечению нейропатическую боль, настолько сильную, что пациенты готовы подвергнуться ампутации конечности вкачестве лечения. Самым большим препятствием для улучшения результатов ПНИ является то, что регенерация аксонов происходит слишком медленно по сравнению с расстояниями, на которые они должны отрасти. Например, аксон взрослого человека растет со скоростью 1 мм/день, но в случае поражения проксимального отдела конечности ему может потребоваться регенерация на расстоянии >1000 мм.
В современной клинической практике ~50% ПНИ требуют хирургического вмешательства3. Для успешной регенерации нерва аксоны должны (i) расти поперек места поражения (т.е. пересечение щели), а затем (ii) регенерировать вниз по нервному пути, чтобы достичь мишени в органе-мишени (т.е. дистального отрастания) (рис. 1). Не существует одобренных FDA препаратов, способных ускорить регенерацию нервов. За последние несколько десятилетий статус-кво клинического ведения ПНИ изменился только постепенно и ограничивается техническими усовершенствованиями хирургических методов, таких как пересадка дистальных двигательных нервов для уменьшения расстояния, которое должны пройти регенерирующие аксоны4, или «готовые» синтетические нервные каналы для случаев, когда проксимальный нерв втягивается и не может быть непосредственно сшит обратно5. Тем не менее, было проведено четыре рандомизированных клинических исследования терапевтической электростимуляции, применяемой к нервам после операции, которые были одноцентровыми исследованиями под руководством доктора К. Минг Чана из Университета Альберты, которые показали значительное улучшение реиннервации мышц 6,7,8 или кожи9. Фундаментальная работа для этого протокола электростимуляции была проведена на грызунах 10,11, где было показано, что электростимуляция работает, в частности, усиливая пересечение щели (рис. 1), но не дистальный рост 12,13,14,15.
Хирургическое размещение чрескожных проволочных электродов, использованных во всех четырех рандомизированных клинических исследованиях электростимуляции, было необходимо, поскольку его эффекты зависят от подачи достаточного тока для деполяризации тела нейронной клетки с частотой 20 Гц непрерывно в течение 1 часа11 минут. В клинической практике этот протокол электростимуляции непереносим для большинства пациентов при требуемой интенсивности через поверхностно-стимулирующие электроды на коже из-за боли. Существуют нетривиальные риски, связанные с установкой чрескожных электродов в послеоперационном периоде, такие как инфицирование глубокой раны или случайное смещение проводов от нервов во время транспортировки пациента из операционной (ИЛИ). Кроме того, высокая стоимость операционного времени сама по себе является препятствием для того, чтобы попытаться сделать это в таких условиях, а не во время острого послеоперационного восстановления. Новый класс беспроводных, безбатарейных и полностью имплантируемых периферических нервных интерфейсов появляется для устранения этого недостатка существующих периферических нервных интерфейсов.
Этот новый класс беспроводных имплантируемых электронных систем призван повысить простоту и гибкость дозирования электростимуляции и разрушить барьеры, препятствующие ее более широкому клиническому применению. В этой статье описываются методы (i) хирургической имплантации и (ii) беспроводного питания и управления этой системой на моделях седалищного и диафрагмального нервов взрослых крыс. Он показывает, как интерфейс периферических нервов может вызывать CMAP, доставлять терапевтический протокол электростимуляции и даже выступать в качестве проводника для восстановления периферических нервов. Приведенные здесь протоколы могут быть адаптированы для других вариантов этой технологии, которые могут доставлять световые импульсы для оптогенетически опосредованной нейромодуляции16, контролируемого высвобождения лекарств17 или повторяющихся приступов электрической стимуляции в течение долгого времени18,19.

<table border="1" fo:keep-together.within-page="1" fo:keep-with-next.within-page="always">
	<tbody>
		<tr>
			<td>Amplifier</td>
			<td>Electronics &#38; Innovation</td>
			<td>201L</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Arbitrary Waveform Generator</td>
			<td>RIGOL</td>
			<td>DG1032Z</td>
			<td>30 MHz, 2 Channel, 200 MS/s, 14bit Resolution, 8 Mpts</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Bupivacaine</td>
			<td>Pfizer</td>
			<td>655317</td>
			<td>Marcaine, 0.5%</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Copper/polyimide/copper</td>
			<td>Pyralux</td>
			<td>AP8535R</td>
			<td>18 &#181;m thick top and bottom copper, 75 &#181;m thick polyimide</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>EMG recording device</td>
			<td>Natus</td>
			<td>Nicolet VikingQuest</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>EPOXY MARINE</td>
			<td>Loctite</td>
			<td></td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Isoflurane, USP</td>
			<td>Butler Schein Animal Health</td>
			<td>1040603</td>
			<td>ISOTHESIA</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Meloxicam</td>
			<td>covetrus</td>
			<td></td>
			<td>5mg/ml</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Needle electrodes</td>
			<td>Technomed USA Inc.</td>
			<td>TE/B50600- 001</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>PDMS (Silicone Elastomer Kit)</td>
			<td>DOW</td>
			<td>SYLGARD&#8482; 184</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>ProtoLaser U4</td>
			<td>LPKF</td>
			<td>U4</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Puralube Vet Ointment Sterile Ocular Lubricant</td>
			<td>Puralube</td>
			<td>83592</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Waveform generator</td>
			<td>Agilent Technologies</td>
			<td>Agilent 33250A</td>
			<td></td>
		</tr>
	</tbody>
</table>

implantation and control of wireless, battery-free systems for peripheral nerve interfacing

Интерфейсы периферических нервов часто используются в экспериментальной неврологии и регенеративной медицине для широкого спектра применений. Такими интерфейсами могут быть датчики, исполнительные механизмы или и то, и другое. Традиционные методы сопряжения периферических нервов должны либо быть привязаны к внешней системе, либо полагаться на питание от батареи, что ограничивает временные рамки операции. Благодаря недавним разработкам беспроводных, безбатарейных и полностью имплантируемых периферических нервных интерфейсов, новый класс устройств может предложить возможности, которые соответствуют или превосходят возможности их проводных предшественников или предшественников с батарейным питанием. В этой статье описываются методы (i) хирургической имплантации и (ii) беспроводного питания и управления этой системой у взрослых крыс. В качестве примеров были выбраны модели седалищного и диафрагмального нервов, чтобы подчеркнуть универсальность этого подхода. В статье показано, как периферический нервный интерфейс может вызывать сложные мышечные потенциалы действия (CMAPs), обеспечивать терапевтический протокол электростимуляции и включать проводник для восстановления повреждений периферических нервов. Такие устройства предлагают расширенные возможности лечения для однократной или повторной терапевтической стимуляции и могут быть адаптированы к различным нервным участкам.

Watch this Scientific Journal Video about Implantation and Control of Wireless, Battery-free Systems for Peripheral Nerve Interfacing at JoVE.com

Implantation and Control of Wireless, Battery-free Systems for Peripheral Nerve Interfacing

Это протокол хирургической имплантации и эксплуатации интерфейса с беспроводным питанием для периферических нервов. Мы демонстрируем полезность этого подхода на примерах нервных стимуляторов, помещенных либо на седалищный, либо на диафрагмальный нерв крысы.

Имплантация и управление беспроводными безбатарейными системами для сопряжения периферических нервов

Peripheral nerve interfaces are frequently used in experimental neuroscience and regenerative medicine for a wide variety of applications. Such interfaces ...

Повреждение периферических нервов встречается довольно часто. Электростимуляция показала терапевтический эффект на регенерацию нервов. Итак, здесь мы показали обобщенный метод имплантации нервного интерфейса и использования устройства.Этот метод позволяет избежать попадания проводов через кожу, которые могут быть местами инфекции. Имплантированный стимулятор может питаться по беспроводной сети и настраиваться в соответствии с потребностями лечения. Это устройство для электростимуляции обладает высоким терапевтическим потенциалом для усиления регенерации периферических нервов после травмы или болезни, помогая восстановить утраченные функции, которые в противном случае могли бы остаться нарушенными.Изоляция нерва и достижение хорошего контакта с манжетой требует деликатности. Никогда не захватывайте нерв непосредственно инструментами, а вместо этого манипулируйте нервом тупыми инструментами и сохраняйте положение без натяжения. Перед началом хирургического вмешательства поместите крысу в положение лежа на подготовительном столе и подтвердите соответствующую глубину анестезии, проверив пиннальный рефлекс.В течение всей операции каждые 15 минут продолжайте оценивать частоту дыхания, цвет тканей и глубину анестезии и поддерживайте соответствующий уровень изофтора. Следите за слизистыми оболочками, которые должны оставаться розовыми и влажными. Положите крысу на стол для приготовления.Побрейте операционную область, включая правую ногу и нижнюю половину спины. После этого переместите животное на операционный стол и потрите выбритую операционную область подушечкой с бетадином, а затем трижды проведите тампон с 70%-ным этанолом. Тканевыми ножницами сделайте разрез на коже параллельно правой бедренной кости с последующим тупым отделением подкожной соединительной ткани на спине, непосредственно медиально от разреза, чтобы очистить подкожный карман для приемной катушки.Затем сделайте последующий разрез на правой ягодичной мышце параллельно разрезу кожи. С помощью металлических зондов для рассечения с тупыми концами изолируйте седалищный нерв, а затем имплантируйте беспроводное безбатарейное устройство на изолированный седалищный нерв, обернув манжету вокруг нее, не натягивая нерв и не искажая его путь. После этого отметьте на коже место размещения приемной катушки для дальнейшей электрической стимуляции.Зашить разрез ягодичной мышцы рассасывающимися нитями. Закройте разрез кожи зажимами для раны, совместив края кожи. В течение одного часа после операции проводите непрерывную электрическую стимуляцию с частотой 20 герц и шириной импульса 200 микросекунд животному под наркозом.При полном выздоровлении от наркоза верните животное в домашнюю клетку. После подготовки обертывания к хирургической процедуре, как описано выше, побрейте прооперированную область на вентральной стороне шеи. Переместите животное на операционный стол и потрите выбритую операционную область подушечкой с бетадином, а затем трижды проведите тампон с 70%-ным этанолом.Затем сделайте трехсантиметровый разрез по средней линии через кожу в поверхностной шейной фасции крысы, находящейся под наркозом, чтобы обнажить грудинную подъязычную и грудино-ключично-сосцевидную мышцы. Используйте зонд для рассечения крови, чтобы поднять грудино-ключично-сосцевидную мышцу, прежде чем втягивать грудино-ключично-сосцевидную мышцу латерально с помощью петли сосуда. Затем освободите и втяните подъязычную мышцу, а затем освободите и медиально втяните блуждающий нерв и сонный пучок под подъязычной мышцей.Изолируют диафрагмальный нерв. Имплантируйте беспроводное безбатарейное устройство в диафрагмальный нерв, поместив приемную катушку устройства на грудинную подъязычную кость, глубоко относительно двусторонней грудино-ключично-сосцевидной мышцы, с манжетой вокруг диафрагмального нерва и контактными электродами, расположенными перпендикулярно нерву. Закройте кожу перевернутыми рассасывающимися швами в глубоких слоях дермы.В течение одного часа после операции проводите непрерывную электрическую стимуляцию с частотой 20 герц и шириной импульса 200 микросекунд животному под наркозом. После полного выздоровления от наркоза верните животное в домашнюю клетку. Для беспроводной стимуляции используйте генератор сигналов для подачи электроэнергии на внешнюю индуктивную катушку передачи.Согласуйте резонансную частоту и положение имплантированной катушки приемника, чтобы обеспечить хорошую индуктивную связь. После настройки подавайте монофазные импульсы с частотой 200 микросекунд с частотой 20 герц в течение одного часа. Чтобы проверить и количественно оценить доставку электрической стимуляции, запишите сложные мышечные потенциалы, или CMAPs, из передней большеберцовой мышцы, регулируя напряжение стимуляции для обеспечения сверхмаксимальной активации седалищного нерва.Полное повреждение диафрагмального нерва было подтверждено в исследовании, вызвав реакцию подергивания. Перед транссекцией электрическая стимуляция диафрагмального нерва вызывала сложные мышечные потенциалы действия на ипсилатеральной диафрагме, которые упразднялись при рассечении диафрагмального нерва. Максимальный ответ CMAP, возникающий после подачи одного импульса стимула в правый седалищный нерв с помощью проволочного электрода, сравнивали с беспроводным электродом.Было замечено, что беспроводная стимуляция нервов может достичь в среднем 88% CMAP от проводной стимуляции нервов. Репрезентативный электромиографический анализ показывает четыре последовательных всплеска в начале и 40 минут часовой электростимуляции с частотой 20 герц. На 40-й минуте отмечено незначительное снижение пиковой амплитуды.Степень регенерации периферических нервов оценивали с помощью ретроградных индикаторов, наложенных дистально на место поражения нерва. Наблюдались регенерированные подгруппы большеберцового нерва или малоберцового нерва в переднем роге поясничного отдела спинного мозга. Помните, что передающая катушка должна быть хорошо выровнена по отношению к приемной катушке, чтобы питать устройство, когда, возможно, нужно отрегулировать расстояние, ориентацию или положение для достижения полной эффективности.Метод также может быть выполнен на других предпочтительных нервных интерфейсах, таких как высвобождение лекарств и оптогенетика. Методика может быть использована для изучения различных механизмов, с помощью которых электростимуляция приводит к различным эффектам на разные нервы.

Research

JoVE Journal

Neuroscience

Organotypic Slice Culture of GFP-expressing Mouse Embryos for Real-time Imaging of Peripheral Nerve Outgrowth

Органотипической культуре Кусочек GFP-экспрессирующих эмбрионов мыши для реального времени изображений периферической нервной вырост

For many purposes, the cultivation of mouse embryos ex vivo as organotypic slices is desirable. For example, we employ a transgenic mouse line (tauGFP) in ...

Transplantation of Olfactory Ensheathing Cells to Evaluate Functional Recovery after Peripheral Nerve Injury

Трансплантация Обонятельная оболочечная клеток для оценки функционального восстановления после периферической нервной травмы

Olfactory ensheathing cells (OECs) are neural crest cells which allow growth and regrowth of the primary olfactory neurons. Indeed, the primary olfactory ...

Optogenetic Stimulation of the Auditory Nerve

Optogenetic Стимуляция слухового нерва

Direct electrical stimulation of spiral ganglion neurons (SGNs) by cochlear implants (CIs) enables open speech comprehension in the majority of implanted ...

Dorsal Root Ganglia Neurons and Differentiated Adipose-derived Stem Cells: An In Vitro Co-culture Model to Study Peripheral Nerve Regeneration

Dorsal Root Ganglia Neurons and Differentiated Adipose-derived Stem Cells: An In Vitro Co-culture Model to Study Peripheral Nerve Regeneration

Спинных нейронов и дифференцированных жировой стволовых клеток, полученных:<em&gt; In Vitro</em&gt; Co-культура моделью для изучения периферических нервов Регенерация

Dorsal root ganglia (DRG) neurons, located in the intervertebral foramina of the spinal column, can be used to create an in vitro system facilitating the ...

Assessment of Neuromuscular Function Using Percutaneous Electrical Nerve Stimulation

Оценка нервно функции, используя Чрескожная стимуляция нервов Электрическая

Percutaneous electrical nerve stimulation is a non-invasive method commonly used to evaluate neuromuscular function from brain to muscle (supra-spinal, ...

Interfacing 3D Engineered Neuronal Cultures to Micro-Electrode Arrays: An Innovative In Vitro Experimental Model

Interfacing 3D Engineered Neuronal Cultures to Micro-Electrode Arrays: An Innovative In Vitro Experimental Model

Взаимодействие 3D конструктивных нейронов культур Микро-матриц электродов: Инновационный<em&gt; In Vitro</em&gt; Экспериментальная модель

Currently, large-scale networks derived from dissociated neurons growing and developing in vitro on extracellular micro-transducer devices are the ...

Toluidine Blue Staining of Resin-Embedded Sections for Evaluation of Peripheral Nerve Morphology

Толуидиновый синий, окрашивание смолы встроенные разделы для оценки морфологии периферической нерв

Peripheral nerves extend throughout the body, innervating target tissues with motor or sensory axons. Due to widespread distribution, peripheral nerves ...

Targeting Alpha Synuclein Aggregates in Cutaneous Peripheral Nerve Fibers by Free-floating Immunofluorescence Assay

Ориентация Альфа Синуклеин Агрегаты в кожных периферных нервных волокон по свободно плавающей иммунофлуоресценции Анализ

To date, for most neurodegenerative diseases only a post-mortem histopathological definitive diagnosis is available. For Parkinson&#39;s disease (PD), the ...

WheelCon: A Wheel Control-Based Gaming Platform for Studying Human Sensorimotor Control

WheelCon: Игровая платформа на основе управления колесами для изучения управления сенсорными датчиками человека

Feedback control theory has been extensively implemented to theoretically model human sensorimotor control. However, experimental platforms capable of ...

Preparation of Peripheral Nerve Stimulation Electrodes for Chronic Implantation in Rats

Подготовка электродеса стимуляции периферического нерва для хронической имплантации у крыс

Peripheral nerve cuff electrodes have long been used in the neurosciences and related fields for stimulation of, for example, vagus or sciatic nerves. ...