Name: the muscle cuff regenerative peripheral nerve interface for the amplification of intact peripheral nerve signals
Uploaded: 2022-01-13T15:00:00
Description: Watch this Scientific Journal Video about The Muscle Cuff Regenerative Peripheral Nerve Interface for the Amplification of Intact Peripheral Nerve Signals at JoVE.com

Os autores agradecem a Jana Moon por seu gerenciamento de laboratório especializado e assistência técnica e a Charles Hwang por sua experiência em imagem. Os experimentos neste artigo foram parcialmente financiados através de doações da Fundação de Cirurgia Plástica para SS (3135146.4), bem como o Instituto Nacional de Saúde Infantil e Desenvolvimento Humano sob o Número de Prêmio 1F32HD100286-01 para SS, e o Instituto Nacional de Artrite e Doenças Musculoesqueléticas e de Pele dos Institutos Nacionais de Saúde sob o Número de Prêmio P30 AR069620.

Todos os procedimentos e experimentos em animais foram realizados com a aprovação do Comitê de Cuidados Institucionais e Uso de Animais (IACUC) da Universidade de Michigan. Ratos Fischer F344 e Lewis machos e fêmeas (~200-300 g) aos 3-6 meses de idade são mais frequentemente utilizados em experimentos, mas qualquer cepa pode teoricamente ser utilizada. Se utilizarem ratos doadores em vez de enxertos musculares autólogos, os ratos doadores devem ser isogênicos à cepa experimental. Os ratos têm livre acesso a alim...

O MC-RPC é uma nova construção que permite a amplificação dos potenciais de ação eferentes de um nervo motor periférico intacto, a fim de controlar com precisão um dispositivo de exoesqueleto. Especificamente, o MC-RPNI confere um benefício particular àqueles indivíduos com fraqueza nas extremidades causada por doença muscular significativa e / ou ausência de músculo onde os sinais EMG não podem ser registrados. Reduzir a função muscular já comprometida seria devastador nessa população; no entanto, o...

Somente nos Estados Unidos, aproximadamente 130 milhões de pessoas são afetadas por distúrbios neuromusculares e musculoesqueléticos, resultando em mais de US$ 800 bilhões em impacto econômico anual 1,2. Esse grupo de distúrbios é tipicamente secundário à patologia dentro do sistema nervoso, na junção neuromuscular ou dentro do próprio músculo3. Apesar da variedade de origens patológicas, a maioria compartilha algum grau de fraqueza dos membros 1,3. Infelizmente, essa fraqueza é muitas vezes permanente, dadas as limitações na regeneração dos tecidos neurais e musculares, especialmente no contexto de trauma grave 4,5,6.
Os algoritmos de tratamento da fraqueza das extremidades têm se concentrado classicamente em medidas de reabilitação e suporte, muitas vezes contando com o aproveitamento das capacidades dos membros intactos restantes (bengalas, cadeiras de rodas, etc.) 7. Esta estratégia fica aquém, no entanto, para aqueles cuja fraqueza não se limita a uma única extremidade. Com as recentes inovações em tecnologias robóticas, foram desenvolvidos dispositivos exoesqueletos avançados que restauram a funcionalidade das extremidades para aqueles que vivem com fraqueza das extremidades 8,9,10,11,12,13. Esses exoesqueletos robóticos são frequentemente alimentados, dispositivos vestíveis que podem ajudar na iniciação e término do movimento ou manutenção da posição do membro, fornecendo uma quantidade variável de força que pode ser adaptada individualmente para o usuário 8,9,10,11,12,13 . Esses dispositivos são classificados como passivos ou ativos, dependendo de como eles fornecem assistência motora ao usuário: os dispositivos ativos contêm atuadores elétricos que aumentam a potência para o usuário, enquanto os dispositivos passivos armazenam energia dos movimentos do usuário para liberá-la de volta ao usuário quando necessário14. Como os dispositivos ativos têm a capacidade de aumentar as capacidades de energia de um usuário, esses dispositivos são utilizados com muito mais frequência no cenário de fraqueza das extremidades[14].
Para determinar a intenção motora nessa população, os exoesqueletos modernos comumente contam com algoritmos de reconhecimento de padrões gerados a partir da eletromiografia (EMG) dos músculos distais dos membros 8,15,16,17 ou da eletroencefalografia de superfície (EEG) do cérebro18,19,20 . Apesar da promessa dessas modalidades de detecção, ambas as opções têm limitações significativas que impedem a utilização generalizada desses dispositivos. Como o sEEG detecta sinais em nível de microvolt transcranialmente18,19,20, as críticas frequentemente se concentram na incapacidade de diferenciar esses sinais do ruído de fundo 21. Quando o ruído de fundo é semelhante ao sinal de gravação desejado, isso produz baixas relações sinal-ruído (SNRs), resultando em detecção e classificação imprecisas do motor22,23. A detecção precisa do sinal também depende do contato estável e de baixa impedância do couro cabeludo21, que pode ser significativamente afetado pela presença de cabelos grossos/grossos, atividade do usuário e até mesmo sudorese22,24. Em contraste, os sinais EMG são de várias magnitudes maiores em amplitude, facilitando maior precisão de detecção de sinal motor15,18,25. Isso tem um custo, no entanto, pois músculos próximos podem contaminar o sinal, diminuindo os graus de liberdade capazes de serem controlados pelo dispositivo 16,17,25 e uma incapacidade de detectar o movimento muscular profundo25,26,27,28. Mais importante ainda, a EMG não pode ser utilizada como método de controle quando há comprometimento muscular significativo e ausência completa de tecido29.
A fim de avançar no desenvolvimento de exoesqueletos robóticos, é necessária a detecção consistente e precisa da intenção motora do usuário pretendido. Interfaces que utilizam o sistema nervoso periférico têm surgido como uma técnica de interface promissora, dado o seu acesso relativamente simples e seletividade funcional. Os métodos atuais de interface de nervos periféricos podem ser invasivos ou não invasivos e normalmente se enquadram em uma das três categorias: eletrodos extraneurais 30,31,32,33, eletrodos intrafasciculares 34,35,36 e eletrodos penetrantes37,38,39,40 . Como os sinais dos nervos periféricos geralmente estão no nível de microvolts, pode ser difícil diferenciar esses sinais do ruído de fundo de amplitude semelhante41,42, o que reduz as capacidades gerais de precisão de detecção motora da interface. Essas baixas relações sinal-ruído (SNR) muitas vezes pioram ao longo do tempo devido à piora da impedância do eletrodo 43 produzida pela degradação do dispositivo39,43 ou reação local de corpo estranho produzindo tecido cicatricial ao redor do dispositivo e/ou degeneração axonal local37,44. Embora essas deficiências geralmente possam ser resolvidas com a reoperação e a implantação de uma nova interface nervosa periférica, essa não é uma solução viável a longo prazo, pois as reações associadas a corpos estranhos continuariam a ocorrer.
Para evitar essas reações teciduais locais geradas pela interação dos nervos periféricos com interfaces abióticas, é necessária uma interface incorporando um componente biológico. Para suprir essa deficiência, a Interface Regenerativa de Nervos Periféricos (RNRP) foi desenvolvida para integrar nervos periféricos transectados nos membros residuais daqueles com amputações com dispositivos protéticos45,46,47,48. A fabricação do RPNI envolve o implante cirúrgico de um nervo periférico transectado em um segmento de enxerto de músculo livre autólogo, com revascularização, regeneração e reinervação ocorrendo ao longo do tempo. Através da geração de potenciais de ação muscular compostos de nível mili-volt (CMAPs), o RPNI é capaz de amplificar o sinal de nível de micro-volt de seu nervo contido em várias magnitudes, facilitando a detecção precisa da intenção motora45,48,49. Houve um desenvolvimento considerável do RPNI na última década, com notável sucesso na amplificação e transmissão de sinais nervosos motores eferentes em ambos os ensaios animais50,51 e humanos47, facilitando o controle de dispositivos protéticos de alta precisão com múltiplos graus de liberdade.
Indivíduos com fraqueza nas extremidades, mas nervos periféricos intactos, também se beneficiariam da detecção de alta precisão da intenção motora através de interfaces nervosas periféricas, a fim de controlar dispositivos de exoesqueleto. Como o RPNI foi desenvolvido para integração com nervos periféricos transectados, como em pessoas com amputações, modificações cirúrgicas foram necessárias. Com base na experiência com o RPNI, a Interface Regenerativa do Nervo Periférico do Manguito Muscular (MC-RPNI) foi desenvolvida. Consistindo de um segmento semelhante de enxerto muscular livre como no NPR, ele é fixado circunferencialmente a um nervo periférico intacto (Figura 1). Com o tempo, ele se regenera e se torna reinervado através do brotamento axonal colateral, amplificando e traduzindo esses sinais nervosos motores eferentes em sinais EMG que são várias ordens de magnitude maiores52. Como o MC-RPNI é de origem biológica, evita a inevitável reação de corpo estranho que ocorre com as interfaces nervosas periféricas atualmente em uso52. Além disso, o MC-RPNI confere a capacidade de controlar múltiplos graus de liberdade simultaneamente, pois pode ser colocado em nervos dissecados distalmente para músculos individuais sem cross-talk significativo, como já foi demonstrado anteriormente em RPNIs49. Finalmente, o MC-RPNI pode operar independentemente da função muscular distal, pois é colocado no nervo proximal. Dadas as suas vantagens sobre as interfaces nervosas periféricas atuais, o MC-RPNI é uma promessa substancial para fornecer um método seguro, preciso e confiável de controle do exoesqueleto.

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	<tbody>
		<tr>
			<td>#15 Scalpel</td>
			<td>Aspen Surgical, Inc</td>
			<td>Ref 371115</td>
			<td>Rib-Back Carbon Steel Surgical Blades (#15)</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>2-N-thin film load cell (S100)</td>
			<td>Strain Measurement Devices, Inc</td>
			<td>SMD100-0002</td>
			<td>Measures force generated by the attached muscle</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>4-0 Chromic Suture</td>
			<td>Ethicon</td>
			<td>SKU# 1654G</td>
			<td>P-3 Reverse Cutting Needle</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>5-0 Chromic Suture</td>
			<td>Ethicon</td>
			<td>SKU# 687G</td>
			<td>P-3 Reverse Cutting Needle</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>8-0 Monofilament Suture</td>
			<td>AROSurgical</td>
			<td>T06A08N14-13</td>
			<td>Black polyamide monofilament suture on a threaded tapered needle</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Experimental Rats</td>
			<td>Envigo</td>
			<td>F344-NH-sd</td>
			<td>Rats are Fischer F344 Strain</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Fine Forceps - mirror finish</td>
			<td>Fine Science Tools</td>
			<td>11413-11</td>
			<td>Fine tipped forceps with mirror finish ideal for handling delicate structures like nerves</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Fluriso (Isofluorane)</td>
			<td>VetOne</td>
			<td>13985-528-40</td>
			<td>Inhalational Anesthetic</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Force Measurement Jig</td>
			<td>Red Rock</td>
			<td>n/a</td>
			<td>Custom designed force measurement jig that allows for immobilization of hindlimb to allow for accurate muscle force recording</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>MATLAB software</td>
			<td>Mathworks, Inc</td>
			<td>PR-MATLAB-MU-MW-707-NNU</td>
			<td>Calculates active force for each recorded force trace from passive and total force measurements</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Nicolet Viasys EMG EP System</td>
			<td>Nicolet</td>
			<td>MFI-NCL-VIKING-SELECT-2CH-EMG</td>
			<td>Portable EMG and nerve signal recording system capable of simultaneous 2 channel recordings from nerve and/or muscle</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Oxygen</td>
			<td>Cryogenic Gases</td>
			<td>UN1072</td>
			<td>Standard medical grade oxygen canisters</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Potassium Chloride</td>
			<td>APP Pharmaceuticals</td>
			<td>63323-965-20</td>
			<td>Injectable form, 2 mEq/mL</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Povidone Iodine USP</td>
			<td>MediChoice</td>
			<td>65517-0009-1</td>
			<td>10% Topical Solution, can use one bottle for multiple surgical preps</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Puralube Vet Opthalmic Ointment</td>
			<td>Dechra</td>
			<td>17033-211-38</td>
			<td>Corneal protective ointment for use during procedure</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Rimadyl (Caprofen)</td>
			<td>Zoetis, Inc.</td>
			<td>NADA# 141-199</td>
			<td>Injectable form, 50 mg/mL</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Stereo Microscope</td>
			<td>Leica</td>
			<td>Model M60</td>
			<td>User can adjust magnification to their preference</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Surgical Instruments</td>
			<td>Fine Science Tools</td>
			<td>Various</td>
			<td>User can choose instruments according to personal preference or from what is currently available in their lab</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Triple Antibiotic Ointment</td>
			<td>MediChoice</td>
			<td>39892-0830-2</td>
			<td>Ointment comes in sterile, disposable packets</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Vannas Spring Scissors - 2mm cutting edge</td>
			<td>Fine Science Tools</td>
			<td>15000-04</td>
			<td>Curved micro-dissection scissors used to perform the epineurial window</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>VaporStick 3</td>
			<td>Surgivet</td>
			<td>V7015</td>
			<td>Anesthesia tower with space for isofluorane and oxygen canister</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Webcol Alcohol Prep</td>
			<td>Coviden</td>
			<td>Ref 6818</td>
			<td>Alcohol prep wipes; use a new wipe for each prep</td>
		</tr>
	</tbody>
</table>

the muscle cuff regenerative peripheral nerve interface for the amplification of intact peripheral nerve signals

Os exoesqueletos robóticos ganharam aclamação recente no campo da medicina de reabilitação como uma modalidade promissora para a restauração funcional para aqueles indivíduos com fraqueza nas extremidades. No entanto, seu uso permanece em grande parte confinado a instituições de pesquisa, frequentemente operando como um meio de suporte estático de extremidades, pois os métodos de detecção motora permanecem não confiáveis. As interfaces nervosas periféricas surgiram como uma solução potencial para essa deficiência; no entanto, devido às suas amplitudes inerentemente pequenas, esses sinais podem ser difíceis de diferenciar do ruído de fundo, diminuindo sua precisão geral de detecção motora. Como as interfaces atuais dependem de materiais abióticos, a quebra inerente do material pode ocorrer ao lado da reação do tecido do corpo estranho ao longo do tempo, afetando ainda mais sua precisão. A Interface Nervosa Periférica Regenerativa do Manguito Muscular (MC-RPNI) foi projetada para superar essas complicações observadas. Consistindo de um segmento de enxerto muscular livre preso circunferencialmente a um nervo periférico intacto, o construto se regenera e se torna reinervado pelo nervo contido ao longo do tempo. Em ratos, este construto demonstrou a capacidade de amplificar os potenciais de ação eferentes motores de um nervo periférico até 100 vezes o valor normal através da geração de potenciais de ação muscular compostos (CMAPs). Essa amplificação de sinal facilita a detecção de alta precisão da intenção do motor, potencialmente permitindo a utilização confiável de dispositivos de exoesqueleto.

A fabricação cirúrgica MC-RPNI é considerada uma falha perioperatória se os ratos não sobreviverem à emergência da anestesia cirúrgica ou desenvolverem uma infecção dentro de uma semana após a operação. Pesquisas anteriores indicaram que um período de maturação de 3 meses resultará em amplificação de sinal confiável a partir deste construto42,45,48,49. Nesse momento ou post...

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The Muscle Cuff Regenerative Peripheral Nerve Interface for the Amplification of Intact Peripheral Nerve Signals

Este manuscrito fornece um método inovador para o desenvolvimento de uma interface biológica do nervo periférico denominada Muscle Cuff Regenerative Peripheral Nerve Interface (MC-RPNI). Esta construção cirúrgica pode amplificar os sinais eferentes motores do nervo periférico associado para facilitar a detecção precisa da intenção motora e o controle potencial de dispositivos exoesqueletos.

A Interface Regenerativa do Nervo Periférico do Manguito Muscular para a Amplificação de Sinais Nervosos Periféricos Intactos

Robotic exoskeletons have gained recent acclaim within the field of rehabilitative medicine as a promising modality for functional restoration for those ...

Os sinais nervosos fisiológicos estão no nível de microvolts, o que é muito pequeno para ser registrado com eletrodos atualmente disponíveis de forma confiável. O MC-RPC pode interagir com nervos periféricos intactos, amplificando os pequenos sinais mais de cem vezes para facilitar a detecção confiável e precisa da intenção motora. A principal vantagem desta técnica é a sua natureza biológica.Pode interagir com nervos periféricos intactos a longo prazo sem causar um efeito prejudicial sobre o próprio nervo ou alvos musculares inervados distalmente. Dispositivos de exoesqueleto alimentados capazes de restaurar a função para aqueles com fraqueza nas extremidades raramente são utilizados em todo o seu potencial devido à incapacidade de detectar a intenção do motor de forma confiável e precisa. Devido às suas capacidades biológicas de amplificação do sinal nervoso, o manguito muscular RPNI é a resposta para essas deficiências.Faça uma incisão longitudinal ao longo da face anterior do membro posterior do doador desejado, estendendo-se logo acima do tornozelo até logo abaixo do joelho com um bisturi número 15. Dissecar o tecido subcutâneo subjacente com uma tesoura afiada da íris para expor a musculatura subjacente e os tendões distais apenas proximais à articulação do tornozelo. Isole o músculo EDL e seu tendão distal da musculatura circundante.Garantir o isolamento do tendão correto inserindo ambos os dentes de uma pinça ou tesoura da íris sob o tendão distal apenas proximal à articulação do tornozelo. Abra a pinça ou tesoura para exercer pressão ascendente sobre o tendão. Realizar uma tenotomia distal do músculo EDL ao nível do tornozelo com tesoura de íris afiada e dissecar o músculo livre dos tecidos circundantes que trabalham proximalmente em direção à sua origem tendínea.Uma vez visualizado o tendão proximal, realize uma tenotomia proximal com tesoura de íris afiada para liberar o enxerto, corte ambas as extremidades tendíneas do enxerto muscular e corte até o comprimento desejado com tesoura de íris afiada. Faça uma incisão longitudinal ao longo de todo o comprimento aparado em um lado do enxerto muscular para facilitar a colocação do nervo dentro do enxerto muscular e fornecer contato do nervo com o endomísio. Coloque o enxerto muscular preparado em uma gaze umedecida com solução salina para evitar a dessecação do tecido.Marque a incisão cirúrgica, estendendo-se de uma linha de aproximadamente 5 milímetros do entalhe ciático até a articulação inferior do joelho. Incise através da pele e dos tecidos subcutâneos ao longo da linha de incisão marcada com uma lâmina número 15. Incise cuidadosamente através da fáscia femoral do bíceps subjacente, tomando cuidado para não se estender por toda a profundidade do músculo, pois o nervo ciático fica logo abaixo.Em seguida, disseque cuidadosamente através do músculo femoral do bíceps com uma pequena tesoura de ponta romba ou um hemostático. Identifique o nervo perineal ou CP comum e isole-o cuidadosamente dos nervos circundantes com um par de micro pinça e micro tesoura. Remova qualquer tecido conjuntivo circundante do meio 2 centímetros do nervo, tomando cuidado para não esmagar o nervo.Segure o epineúrio proximal com micropinça sobre a porção central do nervo PC liberado e corte imediatamente no epineúrio com uma tesoura de microdissecção. Em seguida, viaje distalmente ao longo do nervo para fazer uma janela epineurial correspondente ao comprimento do enxerto muscular e remover cerca de 25% do epineurium. Tome cuidado para remover este segmento em uma única peça.Remova o enxerto muscular da gaze umedecida com solução salina e coloque-o sob a porção central do nervo CP, onde a janela epineurial foi criada. Gire o nervo 180 graus para que a seção da janela epineurial toque o músculo intacto e não subjaz à eventual linha de sutura. Sutura do epineúrio do nervo CP com um 8-O sutura de nylon proximal e distalmente ao enxerto muscular dentro do sulco com suturas simples interrompidas para fixar o epineúrio ao endomísio.Circunferencial envolver as bordas no enxerto muscular em torno do nervo agora fixado e sutura no lugar com 8-O interrompido pontos de nylon. Uma vez que a hemostasia é alcançada, feche a fáscia femoral do bíceps sobre o construto com sutura crômica 5-O de forma corrida. Feche a pele sobrejacente com uma sutura crômica 4-O de forma corrida.A coloração H&E de uma seção transversal MC-RPNI mostra o músculo e o nervo. A secção transversal do músculo EDL distensionalmente inervado ipsilateral num rato com MC-RPNI demonstrou tecido nervoso e muscular viável sem qualquer fibrose ou cicatrização significativa em comparação com a secção transversal num rato de controlo sem MC-RPNI. A imuno-histoquímica de uma seção longitudinal de uma amostra de MC-RPNI mostra núcleos corados de azul com DAPI e tecido nervoso corado de verde.Um close-up de outro MC-RPNI bem-sucedido mostra múltiplas junções neuromusculares inervadas coradas com alfa-bungarotoxina em vermelho para receptores de acetilcolina. Testes eletrofisiológicos realizados nos construtos MC-RPNI mostraram que os potenciais de ação muscular compostos gerados ou formas de onda CMAPs são semelhantes em aparência ao músculo nativo, apoiando ainda mais que eles se tornaram reinervados por seu nervo contido. Os CMAPs gerados pelo músculo EDL fisiológico após a estimulação proximal do nervo CP geralmente variam de 20 a 30 milivolts.Os CMAPs EDL em ratos com MC-RPNIs implantados não são significativamente diferentes, com média de 24,27 milivolts mais ou menos 1,34 milivolts. É crucial praticar a criação de uma janela epineurial antes de usá-la em um estudo. O epineúrio é uma cobertura muito fina e frágil no nervo, e danificar as fibras nervosas subjacentes pode alterar os resultados de maneiras altamente imprevisíveis.Essas construções são consideradas maduras em ratos após 3 meses e suas capacidades de personalização são infinitas. Após a maturação, o MC-RPNI pode ser utilizado em avaliações fisiológicas, análises eletrofisiológicas e testes de força muscular, para citar alguns. A neurorrafia de ponta a ponta é um conceito relativamente novo dentro da cirurgia, onde um nervo transectado é coapto a um nervo periférico intacto induzindo a brotação colateral do nervo intacto para o segmento enxertado.Descobrimos que esse fenômeno também ocorre em músculos enxertados diretamente no nervo intacto e as possibilidades de mais pesquisas são fascinantes.

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