Name: assessment of thermal damage from robot-drilled craniotomy for cranial window surgery in mice
Uploaded: 2022-11-11T13:20:00
Description: Watch this Scientific Journal Video about Assessment of Thermal Damage from Robot-Drilled Craniotomy for Cranial Window Surgery in Mice at JoVE.com

Denne undersøgelse blev delvist støttet af Merit Review Awards GRANT12418820 (Capadona) og GRANTI01RX003420 (Shoffstall / Capadona) og Research Career Scientist Award # GRANT12635707 (Capadona) fra USA Department of Veterans Affairs Rehabilitation Research and Development Service. Derudover blev dette arbejde også delvist støttet af National Institute of Health, National Institute of Neurological Disorders and Stroke GRANT12635723 (Capadona) og National Institute for Biomedical Imaging and Bioengineering, T32EB004314, (Capadona / Kirsch). Dette materiale er baseret på arbejde støttet af National Science Foundation Graduate Research Fellowship under bevilling nr. GRANT12635723. Enhver mening, resultater og konklusioner eller anbefalinger, der udtrykkes i dette materiale, er forfatternes (e) og afspejler ikke nødvendigvis National Science Foundation's synspunkter.

Alle procedurer og dyreplejepraksis blev gennemgået, godkendt af og udført i overensstemmelse med Louis Stokes Cleveland Department of Veterans Affairs Medical Center Institutional Animal Care and Use Committee.
1. Opsætning af kirurgisk robothardware
<ol><li>Før operationen skal du følge den kirurgiske robot (se materialetabellen) manual og vejledning for at konfigurere hardware og software. Udfør rammekalibrering som beskrevet i manualen. Hvis boret ...

<ol>
	<li>Kilic, K., 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=Chronic+cranial+windows+for+long+term+multimodal+neurovascular+imaging+in+mice.">Chronic cranial windows for long term multimodal neurovascular imaging in mice.</a> Frontiers in Physiology. 11, 612678 (2020).</li><li>Goldey, G. 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=Removable+cranial+windows+for+long-term+imaging+in+awake+mice.">Removable cranial windows for long-term imaging in awake mice.</a> Nature Protocols. 9 (11), 2515-2538 (2014).</li><li>Augustinaite, S., Kuhn, B. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Intrinsic+optical+signal+imaging+and+targeted+injections+through+a+chronic+cranial+window+of+a+head-fixed+mouse.">Intrinsic optical signal imaging and targeted injections through a chronic cranial window of a head-fixed mouse.</a> STAR Protocols. 2 (3), 100779 (2021).</li><li>Wang, X., 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+skull-removed+chronic+cranial+window+for+ultrasound+and+photoacoustic+imaging+of+the+rodent+brain.">A skull-removed chronic cranial window for ultrasound and photoacoustic imaging of the rodent brain.</a> Frontiers in Neuroscience. 15, 673740 (2021).</li><li>Wang, Y., Xi, L. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Chronic+cranial+window+for+photoacoustic+imaging:+a+mini+review.">Chronic cranial window for photoacoustic imaging: a mini review.</a> Visual Computing for Industry, Biomedicine, and Art. 4 (1), 15 (2021).</li><li>Augustinaite, S., Kuhn, B. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Chronic+cranial+window+for+imaging+cortical+activity+in+head-fixed+mice.">Chronic cranial window for imaging cortical activity in head-fixed mice.</a> STAR Protocols. 1 (3), 100194 (2020).</li><li>Kunori, N., Takashima, I. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=An+implantable+cranial+window+using+a+collagen+membrane+for+chronic+voltage-sensitive+dye+imaging.">An implantable cranial window using a collagen membrane for chronic voltage-sensitive dye imaging.</a> Micromachines. 10 (11), 789 (2019).</li><li>Beckmann, 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=Longitudinal+deep-brain+imaging+in+mouse+using+visible-light+optical+coherence+tomography+through+chronic+microprism+cranial+window.">Longitudinal deep-brain imaging in mouse using visible-light optical coherence tomography through chronic microprism cranial window.</a> Biomedical Optics Express. 10 (10), 5235-5250 (2019).</li><li>Heo, C., 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+soft,+transparent,+freely+accessible+cranial+window+for+chronic+imaging+and+electrophysiology.">A soft, transparent, freely accessible cranial window for chronic imaging and electrophysiology.</a> Scientific Reports. 6, 27818 (2016).</li><li>Holtmaat, 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=Imaging+neocortical+neurons+through+a+chronic+cranial+window.">Imaging neocortical neurons through a chronic cranial window.</a> Cold Spring Harbor Protocols. 2012 (6), 694-701 (2012).</li><li>Holtmaat, 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=high-resolution+imaging+in+the+mouse+neocortex+through+a+chronic+cranial+window.">high-resolution imaging in the mouse neocortex through a chronic cranial window.</a> Nature Protocols. 4 (8), 1128-1144 (2009).</li><li>Sundaram, G. 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=Characterization+of+a+brain+permeant+fluorescent+molecule+and+visualization+of+Abeta+parenchymal+plaques,+using+real-time+multiphoton+imaging+in+transgenic+mice.">Characterization of a brain permeant fluorescent molecule and visualization of Abeta parenchymal plaques, using real-time multiphoton imaging in transgenic mice.</a> Organic Letters. 16 (14), 3640-3643 (2014).</li><li>Spires, T. 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=Dendritic+spine+abnormalities+in+amyloid+precursor+protein+transgenic+mice+demonstrated+by+gene+transfer+and+intravital+multiphoton+microscopy.">Dendritic spine abnormalities in amyloid precursor protein transgenic mice demonstrated by gene transfer and intravital multiphoton microscopy.</a> Journal of Neuroscience. 25 (31), 7278-7287 (2005).</li><li>Price, D. 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=High-resolution+large-scale+mosaic+imaging+using+multiphoton+microscopy+to+characterize+transgenic+mouse+models+of+human+neurological+disorders.">High-resolution large-scale mosaic imaging using multiphoton microscopy to characterize transgenic mouse models of human neurological disorders.</a> Neuroinformatics. 4 (1), 65-80 (2006).</li><li>Kimchi, E. Y., Kajdasz, S., Bacskai, B. J., Hyman, B. T. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Analysis+of+cerebral+amyloid+angiopathy+in+a+transgenic+mouse+model+of+Alzheimer+disease+using+in+vivo+multiphoton+microscopy.">Analysis of cerebral amyloid angiopathy in a transgenic mouse model of Alzheimer disease using in vivo multiphoton microscopy.</a> Journal of Neuropathology and Experimental Neurology. 60 (3), 274-279 (2001).</li><li>Hyman, B. T. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=The+natural+history+of+Alzheimer+disease+dissected+through+multiphoton+imaging+of+transgenic+mice.">The natural history of Alzheimer disease dissected through multiphoton imaging of transgenic mice.</a> Alzheimer Disease and Associated Disorders. 20 (4), 206-209 (2006).</li><li>Korzhova, V., 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=Long-term+dynamics+of+aberrant+neuronal+activity+in+awake+Alzheimer's+disease+transgenic+mice.">Long-term dynamics of aberrant neuronal activity in awake Alzheimer's disease transgenic mice.</a> Communications Biology. 4 (1), 1368 (2021).</li><li>Chawda, C., McMorrow, R., Gaspar, N., Zambito, G., Mezzanotte, L. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Monitoring+immune+cell+function+through+optical+imaging:+a+review+highlighting+transgenic+mouse+models.">Monitoring immune cell function through optical imaging: a review highlighting transgenic mouse models.</a> Molecular Imaging and Biology. 24 (2), 250-263 (2022).</li><li>Courtin, 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+neuronal+mechanism+for+motivational+control+of+behavior.">A neuronal mechanism for motivational control of behavior.</a> Science. 375 (6576), (2022).</li><li>Mostany, R., Portera-Cailliau, C. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=A+craniotomy+surgery+procedure+for+chronic+brain+imaging.">A craniotomy surgery procedure for chronic brain imaging.</a> Journal of Visualized Experiments. (12), e680 (2008).</li><li>Cramer, S. W., 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=Through+the+looking+glass:+A+review+of+cranial+window+technology+for+optical+access+to+the+brain.">Through the looking glass: A review of cranial window technology for optical access to the brain.</a> Journal of Neuroscience Methods. 354, 109100 (2021).</li><li>Eles, J. R., Vazquez, A. L., Kozai, T. D. Y., Cui, X. T. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Meningeal+inflammatory+response+and+fibrous+tissue+remodeling+around+intracortical+implants:+An+in+vivo+two-photon+imaging+study.">Meningeal inflammatory response and fibrous tissue remodeling around intracortical implants: An in vivo two-photon imaging study.</a> Biomaterials. 195, 111-123 (2019).</li><li>Jorfi, M., Skousen, J. L., Weder, C., Capadona, J. R. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Progress+towards+biocompatible+intracortical+microelectrodes+for+neural+interfacing+applications.">Progress towards biocompatible intracortical microelectrodes for neural interfacing applications.</a> Journal of Neural Engineering. 12 (1), 011001 (2015).</li><li>Cole, J. 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=Craniotomy:+true+sham+for+traumatic+brain+injury,+or+a+sham+of+a+sham.">Craniotomy: true sham for traumatic brain injury, or a sham of a sham.</a> Journal of Neurotrauma. 28 (3), 359-369 (2011).</li><li>Shoffstall, A. 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=Potential+for+thermal+damage+to+the+blood-brain+barrier+during+craniotomy:+implications+for+intracortical+recording+microelectrodes.">Potential for thermal damage to the blood-brain barrier during craniotomy: implications for intracortical recording microelectrodes.</a> Journal of Neural Engineering. 15 (3), 034001 (2018).</li><li>Saunders, N. R., Dziegielewska, K. M., Mollgard, K., Habgood, M. D. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Markers+for+blood-brain+barrier+integrity:+how+appropriate+is+Evans+blue+in+the+twenty-first+century+and+what+are+the+alternatives.">Markers for blood-brain barrier integrity: how appropriate is Evans blue in the twenty-first century and what are the alternatives.</a> Frontiers in Neuroscience. 9, 385 (2015).</li><li>Wang, H. L., Lai, T. W. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Optimization+of+Evans+blue+quantitation+in+limited+rat+tissue+samples.">Optimization of Evans blue quantitation in limited rat tissue samples.</a> Scientific Reports. 4, 6588 (2014).</li><li>Goss-Varley, 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=Microelectrode+implantation+in+motor+cortex+causes+fine+motor+deficit:+Implications+on+potential+considerations+to+Brain+Computer+Interfacing+and+Human+Augmentation.">Microelectrode implantation in motor cortex causes fine motor deficit: Implications on potential considerations to Brain Computer Interfacing and Human Augmentation.</a> Scientific Reports. 7 (1), 15254 (2017).</li><li>Oomoto, I., 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=Protocol+for+cortical-wide+field-of-view+two-photon+imaging+with+quick+neonatal+adeno-associated+virus+injection.">Protocol for cortical-wide field-of-view two-photon imaging with quick neonatal adeno-associated virus injection.</a> STAR Protocols. 2 (4), 101007 (2021).</li><li>Dougherty, J. D., Zhang, J., Feng, H., Gong, S., Heintz, N. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Mouse+transgenesis+in+a+single+locus+with+independent+regulation+for+multiple+fluorophores.">Mouse transgenesis in a single locus with independent regulation for multiple fluorophores.</a> PLoS One. 7 (7), 40511 (2012).</li><li>Jung, 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=Analysis+of+fractalkine+receptor+CX(3)CR1+function+by+targeted+deletion+and+green+fluorescent+protein+reporter+gene+insertion.">Analysis of fractalkine receptor CX(3)CR1 function by targeted deletion and green fluorescent protein reporter gene insertion.</a> Molecular and Cellular Biology. 20 (3), 4106-4114 (2000).</li><li>Kiyatkin, E. A., Sharma, H. S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Permeability+of+the+blood-brain+barrier+depends+on+brain+temperature.">Permeability of the blood-brain barrier depends on brain temperature.</a> Neuroscience. 161 (3), 926-939 (2009).</li><li>Eriksson, A. R., Albrektsson, T. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Temperature+threshold+levels+for+heat-induced+bone+tissue+injury:+a+vital-microscopic+study+in+the+rabbit.">Temperature threshold levels for heat-induced bone tissue injury: a vital-microscopic study in the rabbit.</a> The Journal of Prosthetic Dentistry. 50 (1), 101-107 (1983).</li><li>Bonfield, W., Li, C. H. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=The+temperature+dependence+of+the+deformation+of+bone.">The temperature dependence of the deformation of bone.</a> Journal of Biomechanics. 1 (4), 323-329 (1968).</li><li>Hrapkiewicz, K., Medina, L. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=.">.</a> Clinical Laboratory Animal Medicine, second ed. , (2007).</li><li>McLean, R., Moritz, A. R., Roos, A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Studies+of+thermal+Injury.+VI.+Hyperpotassemia+caused+by+cutaneous+exposure+to+excessive+heat.">Studies of thermal Injury. VI. Hyperpotassemia caused by cutaneous exposure to excessive heat.</a> Journal of Clinical Investigations. 26 (3), 497-504 (1947).</li><li>Kyweriga, M., Sun, J., Wang, S., Kline, R., Mohajerani, M. H. <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+lateral+craniotomy+procedure+for+mesoscale+wide-field+optical+imaging+of+brain+activity.">A large lateral craniotomy procedure for mesoscale wide-field optical imaging of brain activity.</a> Journal of Visualized Experiments. (123), e52642 (2017).</li></ol>

Brugen af EB-farvestof og billeddannelse er ligetil, hurtig og nyttig til evaluering af vaskulær skade i hjernen til nye metoder og teknikker. Uanset om du bruger en kirurgisk robot eller bekræfter metoder, der i øjeblikket udføres i laboratoriet, er det vigtigt at validere kirurgiske metoder for at isolere virkningerne af eksperimentelle behandlinger vs. kirurgisk indvirkning og forbedre dyrevelfærden. En termoelementopsætning er også nyttig til evaluering af boremetoder for at sikre, at der ikke sker opvarmning....

Kranievinduer er blevet allestedsnærværende brugt inden for neurovidenskab, neural teknik og biologi for at muliggøre direkte visualisering og billeddannelse af cortex hos levende dyr 1,2,3,4,5,6,7,8,9,10,11 . Den kraftfulde kombination af transgene mus og multifotonbilleddannelse har givet ekstremt værdifuld indsigt i kredsløbsaktivitet og anden biologisk indsigt i in vivo-hjernen 12,13,14,15,16,17,18. Miniaturemikroskoper monteret på kraniet har yderligere udvidet disse muligheder for at muliggøre optagelser i vågne, frit bevægelige dyr19. Processen med at skabe et kranievindue kræver powerboring for at tynde eller helt fjerne kraniebenet for at producere store nok kraniotomier til at sikre et gennemsigtigt stykke glas over cortex20. Polydimethylsiloxan (PDMS) og andre polymerer er også blevet testet som kranievinduesmaterialer 9,21. I sidste ende er det ideelle kranievindue et, der ikke ændrer eller forstyrrer normal endogen aktivitet nedenunder. Det er imidlertid almindeligt accepteret, at kranial vinduesboring forværrer underliggende væv, hvilket fører til skade på hjernen, forstyrrelse af miljøet og påvirker meninges til det punkt, hvor multifotonbilleddannelse falder22. Den resulterende neuroinflammation har en bred vifte af virkninger, der spænder fra permeabilitet af blod-hjerne-barrieren (BBB) til aktivering og rekruttering af gliaceller omkring implantatstedet23. Derfor er karakterisering af sikrere og mere reproducerbare kranievinduesboremetoder afgørende for ensartet billedkvalitet og reduktion af forstyrrende faktorer.
Mens man sørger for at minimere traumer i det underliggende væv, har handlingen med at bore knoglen potentialet til at forårsage både termiske og mekaniske forstyrrelser i hjernen24,25. Mekanisk traume fra utilsigtet borindtrængning i dura kan yderligere fremkalde varierende grader af kortikal skade24. I en undersøgelse af Shoffstall et al.25 resulterede varmen fra knogleboring i en øget BBB-permeabilitet, som indikeret af tilstedeværelsen af Evans Blue (EB) farvestof i hjernens parenchyma25. EB-farvestof, injiceret intravenøst, binder sig til cirkulerende albumin i blodbanen og krydser derfor normalt ikke en sund BBB i mærkbare koncentrationer. Som et resultat anvendes EB-farvestof almindeligvis som en følsom markør for BBB-permeabilitet26,27. Mens deres undersøgelse ikke direkte målte virkningen af BBB-permeabiliteten på efterfølgende biologiske følgevirkninger, der blev undersøgt, har tidligere undersøgelser korreleret BBB-permeabilitet med et øget neuroinflammatorisk respons på kronisk implanterede mikroelektroder og ændringer i motorisk funktion28.
Afhængigt af undersøgelsens mål kan størrelsen af termisk og mekanisk skade bidrage til en kilde til eksperimentel fejl, hvilket negativt påvirker undersøgelsens strenghed og reproducerbarhed. Der er snesevis af citerede metoder til fremstilling af kranievinduer, hver ved hjælp af forskellige boreudstyr, hastigheder, teknikker og brugere 1,2,3,4,5,6,7,8,9,10,11. Shoffstall et al.25 rapporterede, at den observerede variation i opvarmningsresultaterne blev tilskrevet variabilitet i borets påførte kraft, tilførselshastighed og anvendelsesvinkel, blandt andre aspekter, der ikke kan kontrolleres for ved boring medhånden 25. Der er en tro på, at automatiserede boresystemer og andet stereotaksisk udstyr kan forbedre reproducerbarheden og udfaldskonsistensen, men offentliggjorte metodestudier har ikke nøje evalueret temperatur eller BBB-permeabilitet som et af resultaterne. Derfor er der behov for mere reproducerbare og konsekvent anvendte metoder til fremstilling af kranievinduer samt metoder, der anvendes strengt til at vurdere virkningen af kranievinduesboring på underliggende neuralt væv.
Fokus for denne undersøgelse er at bestemme og udvikle konsistente og sikre boremetoder til kranievinduer. Størrelsen af kraniotomien til kranial vinduesinstallation er signifikant større end standard kraniotomier til hjerneimplanterede mikroelektroder. Sådanne kraniotomier kan ikke udfyldes med et enkelt burrhul, når der anvendes standardudstyr, hvorved der indføres mere interkirurgisk teknikvariation, når den udføres med hånd20. Kirurgiske borerobotter er blevet introduceret til feltet, men er ikke blevet bredt vedtaget 1,6,29. Automatisering af boring giver kontrol over variabler, der bidrager til observeret variation fra forsøg til forsøg, hvilket tyder på, at brugen af udstyret kan reducere inter- og intrakirurgeffekter. Dette er af særlig interesse i betragtning af den ekstra vanskelighed ved den større kraniotomi, der er nødvendig for kranial vinduesplacering. Mens man kunne antage, at der var klare fordele ved den kontrol, der leveres ved automatisering af boringen, har der været ringe vurdering af implementeringen af dette udstyr. Selvom der ikke er observeret synlige læsioner5, ønskes den højere følsomhedstest med EB.
Her måles BBB-permeabilitet ved hjælp af en kommercielt tilgængelig kirurgisk borerobot med tilsvarende software, som giver mulighed for programmering af stereotaksiske koordinater, kraniotomiplanlægning/kortlægning og et udvalg af borestilarter ("punkt-for-punkt" vs "vandret"), der henviser til borets rutebane. Indledningsvis bores otte "frø" -punkter (figur 1A), der skitserer kranievinduet. Herfra skæres mellemrummet mellem frøene ud ved hjælp af enten "punkt-for-punkt" eller "vandret" boremetode. "Point-by-point" udfører lodrette pilothulskæringer (svarende til en CNC-borepresse), mens "vandret" udfører vandrette snit langs omkredsen af kranievinduet, der skitserer hullet (svarende til en CNC-router). Resultatet for begge metoder er et stykke kranium, der kan fjernes for at afsløre kranievinduet. For at isolere skader fra boring fjernes kranievinduet ikke fysisk for at undgå yderligere skader. En kombination af EB-farvestof kombineret med fluorescerende billeddannelse bruges til at måle BBB-permeabilitet efter udførelse af kraniotomier hos mus, og et indsat termoelement bruges til direkte at måle temperaturen på hjerneoverfladen under boring (figur 1B, C). Tidligere observationer indikerede, at pulserende boring til/fra med 2 s intervaller var tilstrækkelig til at afbøde boreopvarmning25 og derfor er indarbejdet i den eksperimentelle tilgang til den kirurgiske robot.
Formålet med det præsenterede arbejde er at demonstrere metoder til vurdering af termiske skader fra kraniotomiboring. Mens metoderne præsenteres i forbindelse med automatiseret boring, kan sådanne metoder også anvendes på manuelle boreordninger. Disse metoder kan anvendes til at validere brugen af udstyr og/eller boresystemer, inden de vedtages som standardprocedure.
<img alt="Figure 1" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/64188/64188fig01.jpg"> Figur 1: Skematisk eksperimentel pipeline. Skematisk demonstration af den proces, dyrene gennemgik til EB-kvantificering efter kraniel vinduesprocedure. (A) Skematisk opsætning af musen med stereotaksisk ramme og kirurgisk robotbor. Et eksempel kranievindue er vist over motorcortex med frøpunkter (grøn) og kantpunkter (blå). (B) Perfusionsopsætningen omfatter injektion af 1x fosfatbufret saltvand (PBS) i hele dyret for at fjerne blod efterfulgt af ekstraktion af hjernen. (C) Hjernen sættes derefter ind i EB-fluorescerende billeddannelsessystemkammer for at udføre fluorescerende billeddannelse på Evans Blue-farvestoffet. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/64188/64188fig01large.jpg" target="_blank">Klik her for at se en større version af denne figur.</a>

<table border="1" fo:keep-together.within-page="1" fo:keep-with-next.within-page="always">
	<tbody>
		<tr>
			<td>1x Phosphate Buffered Saline 
			Type: Reagent</td>
			<td>VWR</td>
			<td>MRGF-6235</td>
			<td>For Evans Blue dilution</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Aura Software 
			Type: Tool</td>
			<td>Spectral Instruments Imaging</td>
			<td></td>
			<td>Open access imaging processing software for Lumina imaging sytems</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Buprenorphine 
			Type: Drug</td>
			<td>Sourced from Animal Facility</td>
			<td></td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Carbide Drill Bit, 0.6mm (Robot Drill) 
			Type: Tool</td>
			<td>Stoelting</td>
			<td>58640-1</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Carprofen 
			Type: Drug</td>
			<td>Sourced from Animal Facility</td>
			<td></td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Cefazolin 
			Type: Drug</td>
			<td>Sourced from Animal Facility</td>
			<td></td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Evans Blue Dye 
			Type: Reagent</td>
			<td>Millipore Sigma</td>
			<td>E2129</td>
			<td>Reconstituted in 1x phosphate-buffered saline</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Isoflurane 
			Type: Drug</td>
			<td>Sourced from Animal Facility</td>
			<td></td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>IVIS Lumina II 
			Type: Tool</td>
			<td>Perkin Elmer</td>
			<td>CLS136334</td>
			<td>IVIS Lumina III currently in place of Lumina II on the market</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Jenco Linearizing Thermometer 
			Type: Tool</td>
			<td>Jenco</td>
			<td>765JF</td>
			<td>For Thermocouple setup</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Ketamine 
			Type: Drug</td>
			<td>Sourced from Animal Facility</td>
			<td></td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>LivingImage 
			Type: Tool</td>
			<td>Perkin Elmer</td>
			<td></td>
			<td>Software for IVIS Lumina III</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Marcaine 
			Type: Drug</td>
			<td>Sourced from Animal Facility</td>
			<td></td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Neurostar Software 
			Type: Tool</td>
			<td>Stoelting</td>
			<td></td>
			<td>Comes with surgical robot purchase</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Physiosuite with MouseSTAT&#174; Pulse Oximeter &#38; Heart Rate Monitor 
			Type: Tool</td>
			<td>Kent Scientific</td>
			<td>PS-03</td>
			<td>Used to monitor vitals</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>PrismPlus mice 
			Type: Animal</td>
			<td>Jackson Labortory</td>
			<td>031478, RRID:IMSR_JAX:031478, Male, ~8 months old</td>
			<td>Animals used for the study</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Stoelting Drill and Injection Robot for Motorized Stereotaxic Instruments 
			Type: Tool</td>
			<td>Stoelting</td>
			<td>58640</td>
			<td>Main robotic drill with stereotaxic frame</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Thermocouple 
			Type: Tool</td>
			<td>TC Direct</td>
			<td>206-557</td>
			<td>For Thermocouple setup</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>USB-6008 Multifunction I/O DAQ 
			Type: Tool</td>
			<td>National Instruments</td>
			<td>USB-6008</td>
			<td>For Thermocouple setup</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Xylazine 
			Type: Drug</td>
			<td>Sourced from Animal Facility</td>
			<td></td>
			<td></td>
		</tr>
	</tbody>
</table>

assessment of thermal damage from robot-drilled craniotomy for cranial window surgery in mice

Kranial vindueskirurgi giver mulighed for billeddannelse af hjernevæv i levende mus ved brug af multifoton eller andre intravitale billeddannelsesteknikker. Men når man udfører kraniotomi i hånden, er der ofte termisk skade på hjernevæv, som i sagens natur er variabel kirurgi til kirurgi og kan være afhængig af individuel kirurgteknik. Implementering af en kirurgisk robot kan standardisere kirurgi og føre til et fald i termisk skade forbundet med kirurgi. I denne undersøgelse blev tre metoder til robotboring testet for at evaluere termisk skade: vandret, punkt for punkt og pulserende punkt for punkt. Vandret boring bruger et kontinuerligt boreskema, mens punkt-for-punkt borer flere huller, der omfatter kranievinduet. Pulserende punkt-for-punkt tilføjer et "2 s on, 2 s off" boreskema for at muliggøre afkøling mellem boringen. Fluorescerende billeddannelse af Evans Blue (EB) farvestof injiceret intravenøst måler skade på hjernevæv, mens et termoelement placeret under borestedet måler termisk skade. Termoelementresultater indikerer et signifikant fald i temperaturændringen i de pulserende punkt-for-punkt (6,90 °C ± 1,35 °C) grupper sammenlignet med de vandrette (16,66 °C ± 2,08 °C) og punkt-for-punkt (18,69 °C ± 1,75 °C) grupper. På samme måde viste den pulserende punkt-for-punkt-gruppe også signifikant mindre EB-tilstedeværelse efter kranial vinduesboring sammenlignet med den vandrette metode, hvilket indikerer mindre skade på blodkar i hjernen. Således synes en pulserende punkt-for-punkt boremetode at være den optimale ordning til reduktion af termisk skade. En robotboremaskine er et nyttigt værktøj til at minimere træning, variabilitet og reducere termiske skader. Med den voksende brug af multifotonbilleddannelse på tværs af forskningslaboratorier er det vigtigt at forbedre resultaternes stringens og reproducerbarhed. De metoder, der behandles her, vil hjælpe med at informere andre om, hvordan man bedre kan bruge disse kirurgiske robotter til yderligere at fremme feltet.

Termisk evaluering Potentialet for termisk skade blev evalueret ved at måle temperaturændringen fra baseline som følge af boring ved hjælp af horisontale (figur 2A), punkt-for-punkt (figur 2B) og pulserende punkt-for-punkt (figur 2C) metoder. Figur 2D viser den eksperimentelle opsætning til opnåelse af termiske data. En prøvestørrelse på N = 4 kranievinduer blev anvendt til ...

Watch this Scientific Journal Video about Assessment of Thermal Damage from Robot-Drilled Craniotomy for Cranial Window Surgery in Mice at JoVE.com

Assessment of Thermal Damage from Robot-Drilled Craniotomy for Cranial Window Surgery in Mice

Kranievinduer er blevet en allestedsnærværende implementeret kirurgisk teknik for at muliggøre intravital billeddannelse hos transgene mus. Denne protokol beskriver brugen af en kirurgisk robot, der udfører halvautomatisk knogleboring af kranievinduer og kan hjælpe med at reducere kirurg-til-kirurg-variabilitet og delvist afbøde termisk blod-hjerne-barriereskade.

Vurdering af termiske skader fra robotboret kraniotomi til kranial vindueskirurgi hos mus

Cranial window surgery allows for the imaging of brain tissue in live mice with the use of multiphoton or other intravital imaging techniques. However, ...

Denne protokol giver en metode til evaluering af vaskulær skade som følge af kranial vinduesboring. En kirurgisk robot giver forbedret konsistens på tværs af procedurer, samtidig med at mængden af træning for at lære teknikken reduceres. Under denne procedure brugte vi kranieinjektioner, som kan være meget udfordrende.Vi anbefaler omfattende træning for dem, der er nye til teknikken. Til at begynde med skal du opsætte systemet som beskrevet i manuskriptet og udføre rammekalibrering efter den kirurgiske robotmanual. Naviger til den kirurgiske software, og opret et nyt projekt ved at vælge start med et rent projekt.Indstil derefter motivet som mus øverst for at angive det borekoordinatatlas, der skal bruges. Vælg derefter start nyt projekt, og klik på planlægning i nederste venstre hjørne for at navigere til skærmbilledet til planlægning af borekoordinater. Opret boreskemaet for kranievinduesteknikken, der skal udføres, ved at klikke hvor som helst på det stereotaksiske atlas.Brug bregma som reference og indtast koordinaterne for motorcortex som beskrevet i manuskriptet. Tryk på Enter på tastaturet for at opdatere de valgte koordinater. Klik på butiksmål for at gemme disse koordinater og indtaste et passende navn.Klik derefter på flytteknappen nederst til venstre for at navigere tilbage til hovedboreskærmen. Klik på værktøjer, derefter projicer og gem som mulighed for at genbruge dette skabelonprojekt til senere projekter, da det automatisk bevarer borekoordinaterne. Først skal du administrere subkutane injektioner af antibiotika, cefazolin, smertestillende, carprofen og buprenorphin til den bedøvede mus.Placer derefter musen på en varmepude og vedligehold anæstesi med 0,5% til 2% isofluran via indånding gennem en næsekegle. Monter dyret på den kirurgiske robots stereotaksiske ramme ved hjælp af medfølgende ørestænger og vurder rutinemæssigt vitalitet og bedøvelsesdybde via tåklemme. Skrub derefter det kirurgiske område med chlorhexidingluconat og 70% isopropanol til sterilisering.Og læg en steril plastfolie over musen og stereotaktisk ramme for at opretholde sterilitet under operationen. Brug et skalpelblad til at udføre et snit på en tomme på kraniets midterlinje, startende bag på øjnene, tørre ud og rense kraniet ved hjælp af 3% hydrogenperoxid med applikatorer med bomuldsspids. For at forberede halen til let injektion skal du tørre ned med alkohol.Brug tommelfingeren og pegefingeren til at bøje halen for at udsætte halevenen oven på halens bøjning. Indsæt sprøjten parallelt med venen, og injicer langsomt mængden af Evans blå. Når den er injiceret, skal du vente i fem minutter, så Evans blå kan cirkulere.En vellykket injektion verificeres straks, da musens ekstremiteter og kirurgiske vindue bliver blå. Når kraniet er klar til boring, skal du navigere tilbage til den kirurgiske software og klikke på værktøjer. Vælg derefter projekt efterfulgt af nyt, og vælg et skabelonprojekt i rullemenuen for at vælge et skabelonprojekt.Vælg de samme protokolelementer. Klik på planlægning, vælg derefter boreparametre, der skal overføres til dette nye projekt, og klik på start nyt projekt. Ret derefter boret og rammen for at tage højde for hældningen og skaleringen af musekraniet på det aktuelle dyr ved at klikke på værktøjer, og vælg Korrekt til hældning og skalering for at åbne korrektionsskærmen.Øverst på skærmen skal du sikre dig, at boret er aktivt ved at klikke på den lysrøde boreknap Når korrektionen er udført, skal du komme ud af korrektionsvinduet ved at klikke på Luk nederst midt på skærmen og navigere til boreskærmen ved at klikke på værktøjer og derefter vælge boremaskine for at starte boreproceduren. Bekræft borestedet ved at vælge kraniotomiformvinduet øverst på skærmen efterfulgt af at se detaljerne om boremålet i rullemenuen nedenfor. For at udføre manuel pulsboring skal du deaktivere autostop-funktionen ved at fjerne markeringen i afkrydsningsfeltet ud for auto-stop-indstillingen i boremenuen, som giver mulighed for at kontrollere, hvornår boret er slukket for pulseringen.I boremenuen skal du vælge 100 mikrometer som fremskridt for boredybden. Åbn menuen for borestedet, og naviger til det første øvelsessted. Brug forskudsknappen eller manuelle knapper til at sænke boret, indtil det rører kraniet, og tryk på den indstillede overflade, når boret når kraniet.Når du er klar, skal du klikke på forhånd for at begynde boringen. Og når boret er avanceret 100 mikrometer, skal du trykke to gange på Escape for at stoppe boret. Efter to sekunder gentages denne cyklus for dybden af kraniet.For hvert frø og kantpunkt under såningen skal du sørge for at indstille dura ved hjælp af knappen i såmenuen, når dura er nået. Mål temperaturændringerne i kraniet og hjernen ved hjælp af et termoelement i kombination med de tre forskellige boreskemaer, der er forbundet til et dataindsamlingssystem, der gør det muligt at læse målingen ind i MATLAB. Monter en kadavermus på stereotaksrammen og robotboremaskinen.Bor manuelt et lille hul cirka to millimeter væk fra, hvor kranievinduet vil blive lavet i siden af kraniet, hvilket gør det muligt at glide termoelement på plads under hvor boring af kranievinduet finder sted. Start boreprocessen for hvert af de tre skemaer som vist tidligere, hvilket resulterer i pigge på grund af temperaturændring, hvilket indikerer opvarmning, der forekommer nær hjernen, når boret går gennem kraniet. Potentialet for termisk skade blev evalueret ved at måle temperaturændringen fra baseline på grund af boring ved hjælp af vandrette, punkt for punkt og pulserende punkt for punkt-metoder.Både de vandrette og punkt for punkt boreskemaer viser ikke-signifikante forskelle i termiske ændringer. Men at skifte til en pulserende punkt for punkt-metode resulterede i signifikant mindre opvarmning af hjernen end både vandret og punkt for punkt-boring. Den vandrette kantboring tog 300 sekunder, mens punkt-for-punkt-kantboringen tog 200 sekunder.Pulsmetoden tog længst tid med så- og kantsåning og tog ca. 500 sekunder hver. For at overvåge forholdet mellem boreskemaet og vaskulær skade blev Evans blå fluorescerende billeddannelse udført. Boringen via vandret og punkt for punkt skæring blev set at være skadelig for vaskulaturen i hjernen.I sammenligning med kontrolgrupperne havde den pulserende punkt for punkt-metode mindre lokaliseret skade ved frø- og kantpunktet, men havde stadig synlig Evans blå tilstedeværelse inden for kranievinduet. Ved manuel boring er det afgørende at kontrollere kraniotomien efter fremrykning af boret for at sikre, at dura ikke brydes. Ud over kranievinduer kan en kirurgisk robot bruges til standard kraniotomier for at forbedre kirurgiske resultater.

Research

JoVE Journal

Neuroscience

Intravital Microscopy of the Mouse Brain Microcirculation using a Closed Cranial Window

This experimental model was designed to assess the mouse pial microcirculation during acute and chronic, physiological and pathophysiological hemodynamic, ...

Assessment of Morphine-induced Hyperalgesia and Analgesic Tolerance in Mice Using Thermal and Mechanical Nociceptive Modalities

Vurdering af morfin-induceret hyperalgesi og Smertestillende Tolerance i mus ved hjælp af termiske og mekaniske Nociceptive Retningslinjer

Opioid-induced hyperalgesia and tolerance severely impact the clinical efficacy of opiates as pain relievers in animals and humans. The molecular ...

Lateral Chronic Cranial Window Preparation Enables In Vivo Observation Following Distal Middle Cerebral Artery Occlusion in Mice

Lateral Chronic Cranial Window Preparation Enables In Vivo Observation Following Distal Middle Cerebral Artery Occlusion in Mice

Lateral Kronisk Kranie Window Forberedelse Aktiverer<em&gt; In vivo</em&gt; Observation Efter Distal mellem-cerebral arterieokklusion i mus

Focal cerebral ischemia (i.e., ischemic stroke) may cause major brain injury, leading to a severe loss of neuronal function and consequently to a host of ...

Assessment of Hippocampal Dendritic Complexity in Aged Mice Using the Golgi-Cox Method

Vurdering af hippocampal dendritisk kompleksitet hos gamle mus ved anvendelse af Golgi-Cox-metoden

Dendritic spines are the protuberances from the neuronal dendritic shafts that contain&#160; excitatory synapses. The morphological and branching ...

Piezo High Accuracy Surgical Osteal Removal (PHASOR): A Technique for Improved Cranial Window Surgery in Mice

Piezo High Accuracy Surgical Osteal Removal PHASOR: A Technique for Improved Cranial Window Surgery in Mice

Piezo høj nøjagtighed kirurgisk Osteal fjernelse (PHASOR): En teknik til forbedret kraniel vindue kirurgi i mus

Multiphoton microscopy has been widely adapted for imaging neurons in vivo. Repeated imaging requires implantation of a cranial window or repeated ...

Craniotomy Procedure for Visualizing Neuronal Activities in Hippocampus of Behaving Mice

Craniotomy Procedure for visualisering af neuronale aktiviteter i Hippocampus af barbering mus

Imaging neuronal activities at single-cell resolution in awake behaving animals is a very powerful approach for the investigation of neural circuit ...

Implantation of a Cranial Window for Repeated In Vivo Imaging in Awake Mice

Implantation of a Cranial Window for Repeated In Vivo Imaging in Awake Mice

Implantation af et kranievindue til gentagen In Vivo-billeddannelse i vågne mus

To fully understand the cellular physiology of neurons and glia in behaving animals, it is necessary to visualize their morphology and record their ...

Assessment of Sensory Thresholds in Dogs Using Mechanical and Hot Thermal Quantitative Sensory Testing

Vurdering af sensoriske tærskler hos hunde ved hjælp af mekanisk og varm termisk kvantitativ sensorisk test

Quantitative sensory testing (QST) is used to evaluate the function of the somatosensory system in dogs by assessing the response to applied mechanical ...

Dosage-Adjusted Resistance Training in Mice with a Reduced Risk of Muscle Damage

Dosisjusteret modstandstræning hos mus med reduceret risiko for muskelskader

Progressive resistance training (PRT), which involves performing muscle contractions against progressively greater external loads, can increase muscle ...

In Vivo Wide-Field and Two-Photon Calcium Imaging from a Mouse Using a Large Cranial Window

In Vivo Wide-Field and Two-Photon Calcium Imaging from a Mouse Using a Large Cranial Window

In vivo Bredfelts- og to-foton calciumbilleddannelse fra en mus ved hjælp af et stort kranievindue

Wide-field calcium imaging from the mouse&#39;s neocortex allows one to observe cortex-wide neural activity related to various brain functions. On the ...