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

Deze studie werd gedeeltelijk ondersteund door Merit Review Awards GRANT12418820 (Capadona) en GRANTI01RX003420 (Shoffstall / Capadona), en Research Career Scientist Award # GRANT12635707 (Capadona) van het United States (US) Department of Veterans Affairs Rehabilitation Research and Development Service. Daarnaast werd dit werk ook gedeeltelijk ondersteund door het National Institute of Health, het National Institute of Neurological Disorders and Stroke GRANT12635723 (Capadona) en het National Institute for Biomedical Imaging and Bioengineering, T32EB004314, (Capadona / Kirsch). Dit materiaal is gebaseerd op werk dat wordt ondersteund door de National Science Foundation Graduate Research Fellowship onder Grant No. GRANT12635723. Alle meningen, bevindingen en conclusies of aanbevelingen in dit materiaal zijn die van de auteur(s) en weerspiegelen niet noodzakelijkerwijs de standpunten van de National Science Foundation.

Alle procedures en dierverzorgingspraktijken werden beoordeeld, goedgekeurd door en uitgevoerd in overeenstemming met het Louis Stokes Cleveland Department of Veterans Affairs Medical Center Institutional Animal Care and Use Committee.
1. Installatie van chirurgische robothardware
<ol><li>Volg vóór de operatie de handleiding en handleiding van de chirurgische robot (zie Materiaaltabel) om de hardware en software in te stellen. Voer framekalibratie uit zoal...

<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>

Het gebruik van EB-kleurstof en beeldvorming is eenvoudig, snel en nuttig voor het evalueren van vasculaire schade in de hersenen voor nieuwe methoden en technieken. Of het nu gaat om het gebruik van een chirurgische robot of het bevestigen van methoden die momenteel in het laboratorium worden gedaan, het is belangrijk om chirurgische methoden te valideren om de effecten van experimentele behandelingen versus chirurgische impact te isoleren en het dierenwelzijn te verbeteren. Een thermokoppelopstelling is ook nuttig bij ...

Craniale vensters zijn alomtegenwoordig geworden op het gebied van neurowetenschappen, neurale engineering en biologie om directe visualisatie en beeldvorming van de cortex bij levende dieren mogelijk te maken 1,2,3,4,5,6,7,8,9,10,11 . De krachtige combinatie van transgene muizen en multifotonenbeeldvorming heeft uiterst waardevolle inzichten opgeleverd in circuitactiviteit en andere biologische inzichten in de in vivo hersenen 12,13,14,15,16,17,18. Miniatuurmicroscopen die op de schedel zijn gemonteerd, hebben deze mogelijkheden verder uitgebreid om opnames mogelijk te maken bij wakkere, vrij bewegende dieren19. Het proces van het maken van een schedelvenster vereist krachtboren om het schedelbot te verdunnen of volledig te verwijderen om voldoende grote craniotomieën te produceren om een transparant stuk glas over de cortex20 te bevestigen. Polydimethylsiloxaan (PDMS) en andere polymeren zijn ook getest als craniale raammaterialen 9,21. Uiteindelijk is het ideale schedelvenster er een die de normale endogene activiteit eronder niet verandert of verstoort. Het is echter algemeen aanvaard dat craniale raamboringen het onderliggende weefsel verergeren, wat leidt tot schade aan de hersenen, verstoring van de omgeving en het beïnvloeden van hersenvliezen tot het punt van het afsluiten van multifotonbeelddiepte22. De resulterende neuro-inflammatie heeft een breed scala aan effecten, variërend van permeabiliteit van de bloed-hersenbarrière (BBB) tot activering en rekrutering van gliacellen rond de implantaatplaats23. Daarom is het karakteriseren van veiligere en meer reproduceerbare craniale raamboormethoden cruciaal voor een consistente beeldkwaliteit en het verminderen van verstorende factoren.
Hoewel er zorg wordt besteed aan het minimaliseren van trauma aan het onderliggende weefsel, heeft de handeling van het boren van het bot het potentieel om zowel thermische als mechanische verstoringen van de hersenen te veroorzaken24,25. Mechanisch trauma door toevallige boorpenetratie in de dura kan verder verschillende gradaties van corticale schade veroorzaken24. In een studie van Shoffstall et al.25 resulteerde de hitte van botboringen in een verhoogde BBB-permeabiliteit, zoals aangegeven door de aanwezigheid van Evans Blue (EB) kleurstof in het hersenparenchym25. EB-kleurstof, intraveneus geïnjecteerd, bindt zich aan circulerend albumine in de bloedbaan en passeert daarom normaal gesproken geen gezonde BBB in merkbare concentraties. Als gevolg hiervan wordt EB-kleurstof vaak gebruikt als een gevoelige marker van BBB-permeabiliteit26,27. Hoewel hun studie niet direct de impact van de BBB-permeabiliteit op de daaropvolgende biologische sequelae in studie heeft gemeten, hebben eerdere studies BBB-permeabiliteit gecorreleerd aan een verhoogde neuro-inflammatoire respons op chronisch geïmplanteerde micro-elektroden en veranderingen in de motorische functie28.
Afhankelijk van de doelstellingen van het onderzoek kan de omvang van thermische en mechanische schade bijdragen aan een bron van experimentele fouten, die de strengheid en reproduceerbaarheid van het onderzoek negatief beïnvloeden. Er zijn tientallen aangehaalde methoden voor het produceren van schedelramen, elk met behulp van verschillende boorapparatuur, snelheden, technieken en gebruikers 1,2,3,4,5,6,7,8,9,10,11. Shoffstall et al.25 rapporteerden dat de waargenomen variatie in de verwarmingsresultaten werd toegeschreven aan variabiliteit in de uitgeoefende kracht, toevoersnelheid en toepassingshoek van de boor, naast andere aspecten die niet kunnen worden gecontroleerd bij het boren met de hand 25. Er is een overtuiging dat geautomatiseerde boorsystemen en andere stereotaxische apparatuur de reproduceerbaarheid en uitkomstconsistentie kunnen verbeteren, maar gepubliceerde methodestudies hebben de temperatuur of BBB-permeabiliteit niet rigoureus geëvalueerd als een van de uitkomsten. Daarom is er behoefte aan meer reproduceerbare en consistent toegepaste methoden om schedelvensters te produceren, evenals methoden die rigoureus worden toegepast om de impact van craniale raamboringen op onderliggend neuraal weefsel te beoordelen.
De focus van deze studie ligt op het bepalen en ontwikkelen van consistente en veilige boormethoden voor schedelramen. De grootte van de craniotomie voor craniale raaminstallatie is aanzienlijk groter dan standaard craniotomieën voor hersengeïmplanteerde micro-elektroden. Dergelijke craniotomieën kunnen niet worden voltooid met een enkel braamgat bij gebruik van standaardapparatuur, waardoor meer inter-chirurgentechniek variabiliteit wordt geïntroduceerd wanneer ze met de hand worden uitgevoerd20. Chirurgische boorrobots zijn geïntroduceerd in het veld, maar zijn niet op grote schaal toegepast 1,6,29. Automatisering van boren biedt controle over variabelen die bijdragen aan waargenomen trial-to-trial variatie, wat suggereert dat het gebruik van de apparatuur inter- en intra-chirurgeneffecten kan verminderen. Dit is van bijzonder belang gezien de extra moeilijkheid van de grotere craniotomie die nodig is voor het plaatsen van schedelvensters. Hoewel men zou kunnen aannemen dat er duidelijke voordelen zijn voor de controle die wordt geboden door het automatiseren van het boren, is er weinig beoordeling geweest van de implementatie van deze apparatuur. Hoewel er geen zichtbare laesies zijn waargenomen5, is de hogere gevoeligheidstest met EB gewenst.
Hier wordt de BBB-permeabiliteit gemeten met behulp van een in de handel verkrijgbare chirurgische boorrobot met bijbehorende software, die het mogelijk maakt om stereotaxische coördinaten, craniotomieplanning / mapping en een selectie van boorstijlen ("puntsgewijs" versus "horizontaal") te programmeren, verwijzend naar het gerouteerde pad van de boor. In eerste instantie worden acht "zaad" -punten geboord (figuur 1A), die het schedelvenster schetsen. Vanaf hier wordt de ruimte tussen de zaden uitgesneden met behulp van de "punt-voor-punt" of "horizontale" boormethode. "Point-by-point" voert verticale pilot hole cuts uit (vergelijkbaar met een CNC-boorpers), terwijl "horizontaal" horizontale sneden uitvoert langs de omtrek van het schedelvenster dat het gat omlijnt (vergelijkbaar met een CNC-router). Het resultaat voor beide methoden is een stuk schedel dat kan worden verwijderd om het schedelvenster te onthullen. Om schade door boren te isoleren, wordt het schedelvenster niet fysiek verwijderd, om extra schade te voorkomen. Een combinatie van EB-kleurstof in combinatie met fluorescerende beeldvorming wordt gebruikt om BBB-permeabiliteit te meten na het uitvoeren van craniotomieën bij muizen, en een ingebracht thermokoppel wordt gebruikt om de temperatuur van het hersenoppervlak tijdens het boren direct te meten (figuur 1B, C). Eerdere waarnemingen gaven aan dat gepulseerd boren aan/uit met 2 s intervallen voldoende was om boorverwarming25 te verminderen, en daarom is opgenomen in de experimentele aanpak voor de chirurgische robot.
De bedoeling van het gepresenteerde werk is om methoden te demonstreren voor het beoordelen van thermische schade door craniotomieboringen. Hoewel de methoden worden gepresenteerd in de context van geautomatiseerd boren, kunnen dergelijke methoden ook worden toegepast op handmatige boorschema's. Deze methoden kunnen worden gebruikt om het gebruik van apparatuur en/of boorschema's te valideren voordat ze als standaardprocedure worden aangenomen.
<img alt="Figure 1" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/64188/64188fig01.jpg"> Figuur 1: Experimenteel pijplijnschema. Schematisch aantonen van het proces dat dieren ondergingen voor EB-kwantificering na de craniale vensterprocedure. (A) Schematische opstelling van de muis met het stereotaxische frame en de chirurgische robotboor. Een voorbeeld van een schedelvenster wordt getoond over de motorische cortex met zaadpunten (groen) en randpunten (blauw). (B) De perfusie-opstelling omvat het injecteren van 1x fosfaat gebufferde zoutoplossing (PBS) door het hele dier om bloed te verwijderen, gevolgd door extractie van de hersenen. (C) De hersenen worden vervolgens in de EB fluorescerende beeldvormingssysteemkamer geplaatst om fluorescerende beeldvorming op de Evans Blue-kleurstof uit te voeren. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/64188/64188fig01large.jpg" target="_blank">Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.</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

Craniale raamchirurgie maakt het mogelijk om hersenweefsel in levende muizen in beeld te brengen met behulp van multifotonen of andere intravitale beeldvormingstechnieken. Bij het uitvoeren van een craniotomie met de hand is er echter vaak thermische schade aan hersenweefsel, wat inherent variabel is van chirurgie tot operatie en afhankelijk kan zijn van de individuele chirurgtechniek. Het implementeren van een chirurgische robot kan de operatie standaardiseren en leiden tot een afname van thermische schade in verband met chirurgie. In deze studie werden drie methoden van robotboren getest om thermische schade te evalueren: horizontaal, punt voor punt en puntsgepulseerd punt voor punt. Horizontaal boren maakt gebruik van een continu boorschema, terwijl puntsgewijs verschillende gaten worden geboord die het schedelvenster omvatten. Gepulseerd puntsgewijs voegt een "2 s aan, 2 s uit" boorschema toe om koeling tussen het boren mogelijk te maken. Fluorescerende beeldvorming van Evans Blue (EB) kleurstof die intraveneus wordt geïnjecteerd, meet schade aan hersenweefsel, terwijl een thermokoppel dat onder de boorlocatie is geplaatst thermische schade meet. De resultaten van het thermokoppel wijzen op een significante afname van de temperatuurverandering in de gepulste punt-voor-punt (6,90 °C ± 1,35 °C) groep in vergelijking met de horizontale (16,66 °C ± 2,08 °C) en punt-voor-punt (18,69 °C ± 1,75 °C) groepen. Evenzo vertoonde de gepulseerde puntsgewijze groep ook significant minder EB-aanwezigheid na craniale raamboringen in vergelijking met de horizontale methode, wat wijst op minder schade aan bloedvaten in de hersenen. Een gepulseerde punt-voor-punt boormethode lijkt dus het optimale schema om thermische schade te verminderen. Een robotboor is een handig hulpmiddel om training, variabiliteit en thermische schade te minimaliseren. Met het toenemende gebruik van multifotonbeeldvorming in onderzoekslaboratoria is het belangrijk om de nauwkeurigheid en reproduceerbaarheid van resultaten te verbeteren. De methoden die hier worden behandeld, zullen anderen helpen informeren over hoe deze chirurgische robots beter kunnen worden gebruikt om het veld verder te ontwikkelen.

Thermische evaluatie Het potentieel voor thermische schade werd geëvalueerd door de temperatuurverandering ten opzichte van de basislijn te meten als gevolg van boringen met behulp van horizontale (figuur 2A), puntsgewijze (figuur 2B) en gepulseerde puntsgewijze (figuur 2C) methoden. Figuur 2D toont de experimentele opstelling voor het verkrijgen van thermische gegevens. Voor thermi...

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

Craniale vensters zijn een alomtegenwoordig geïmplementeerde chirurgische techniek geworden om intravitale beeldvorming bij transgene muizen mogelijk te maken. Dit protocol beschrijft het gebruik van een chirurgische robot die semi-geautomatiseerde botboringen van schedelvensters uitvoert en kan helpen de variabiliteit van chirurg tot chirurg te verminderen en thermische schade aan de bloed-hersenbarrière gedeeltelijk te verminderen.

Beoordeling van thermische schade door robotgeboorde craniotomie voor craniale raamchirurgie bij muizen

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

Dit protocol biedt een methode voor het evalueren van vasculaire schade als gevolg van craniale raamboringen. Een chirurgische robot biedt verbeterde consistenties tussen procedures en vermindert de hoeveelheid training om de techniek te leren. Tijdens deze procedure gebruikten we craniale injecties die zeer uitdagend kunnen zijn.We raden uitgebreide training aan voor degenen die nieuw zijn in de techniek. Stel om te beginnen het systeem in zoals beschreven in het manuscript en voer framekalibratie uit volgens de handleiding van de chirurgische robot. Navigeer naar de chirurgische software en maak een nieuw project door beginnen met een schoon project te selecteren.Stel vervolgens het onderwerp als muis bovenaan in om de te gebruiken boorcoördinatenatlas aan te wijzen. Selecteer vervolgens start nieuw project en klik op planning in de linkerbenedenhoek om naar het boorcoördinatenplanningsscherm te navigeren. Maak het boorschema voor de craniale venstertechniek die moet worden uitgevoerd door ergens op de stereotaxische atlas te klikken.Gebruik bregma als referentie en voer de coördinaten in voor de motorische cortex zoals beschreven in het manuscript. Druk op Enter op het toetsenbord om de geselecteerde coördinaten bij te werken. Klik op winkeldoel om deze coördinaten op te slaan en een juiste naam in te voeren.Klik vervolgens op de knop Verplaatsen linksonder om terug te gaan naar het hoofdboorscherm. Klik op tools, vervolgens op project en sla op als optie om dit sjabloonproject opnieuw te gebruiken voor latere projecten, omdat de boorcoördinaten automatisch worden bewaard. Dien eerst subcutane injecties van antibiotica, cefazoline, analgeticum, carprofen en buprenorfine toe aan de verdoofde muis.Plaats vervolgens de muis op een verwarmingskussen en handhaaf de anesthesie met 0,5% tot 2% isofluraan via inademing door een neuskegel. Monteer het dier op het stereotaxische frame van de chirurgische robot met behulp van meegeleverde oorbalken en beoordeel routinematig de vitale functies en de anesthetische diepte via teenknijpen. Schrob vervolgens het operatiegebied met chloorhexidinegluconaat en 70% isopropanol voor sterilisatie.En plaats een steriele plastic folie over de muis en het stereotactische frame om de steriliteit tijdens de operatie te behouden. Voer met behulp van een scalpelmes een incisie van één inch uit op de middellijn van de schedel, beginnend bij de achterkant van de ogen, droog uit en reinig de schedel met 3% waterstofperoxide met katoenen applicators. Om de staart voor te bereiden op eenvoudige injectie, veegt u af met alcohol.Buig met de duim en wijsvinger de staart om de staartader bovenop de bocht van de staart bloot te leggen. Plaats de spuit parallel aan de ader en injecteer langzaam het volume Evans blue. Eenmaal geïnjecteerd, wacht je vijf minuten om Evans blue te laten circuleren.Een succesvolle injectie wordt onmiddellijk geverifieerd als de ledematen en het chirurgische venster van de muis blauw worden. Zodra de schedel is voorbereid om te boren, navigeert u terug naar de chirurgische software en klikt u op gereedschap. Selecteer vervolgens project, gevolgd door nieuw, en selecteer een sjabloonproject in het vervolgkeuzemenu om een sjabloonproject te kiezen.Selecteer dezelfde protocolelementen. Klik op planning, selecteer vervolgens boorparameters om over te dragen naar dit nieuwe project en klik op nieuw project starten. Corrigeer vervolgens de boor en het frame om rekening te houden met de kanteling en schaal van de muisschedel van het huidige dier door op gereedschappen te klikken en selecteer correct voor kantelen en schalen om het correctiescherm te openen.Zorg er bovenaan het scherm voor dat de boor actief is door op de lichtrode boorknop te klikken Nadat de correctie is uitgevoerd, komt u uit het correctievenster door in het midden onderaan het scherm op sluiten te klikken en navigeert u naar het boorscherm door op gereedschappen te klikken en vervolgens boor te selecteren om de boorprocedure te starten. Bevestig de boorlocatie door het craniotomievormvenster boven aan het scherm te selecteren, gevolgd door de details van het boordoel in de vervolgkeuzelijst hieronder te bekijken. Om handmatige pulsboringen uit te voeren, schakelt u de auto-stop-functie uit door het selectievakje naast de auto-stop-optie in het boormenu uit te schakelen, waarmee u kunt regelen wanneer de boor is uitgeschakeld voor het pulseren.Selecteer in het boormenu 100 micrometer als de boordiepte vordert. Open het drill site menu en navigeer naar de eerste drill site. Gebruik de knop voorschot of handmatige bedieningselementen om de boor te laten zakken totdat deze de schedel raakt en druk op het ingestelde oppervlak zodra de boor de schedel bereikt.Als u klaar bent, klikt u op Advance om te beginnen met boren. En nadat de boor 100 micrometer vooruit is gegaan, drukt u twee keer op Escape om de boor te stoppen. Herhaal na twee seconden deze cyclus voor de diepte van de schedel.Zorg ervoor dat u voor elk zaad- en randpunt tijdens het boren dura instelt met behulp van de knop in het boormenu zodra de dura is bereikt. Meet de veranderingen in temperatuur van de schedel en de hersenen met behulp van een thermokoppel in combinatie met de drie verschillende boorschema's die zijn verbonden met een data-acquisitiesysteem, waarmee de meting kan worden ingelezen in MATLAB. Monteer een kadavermuis op het stereotaxische frame en de robotbooropstelling.Boor handmatig een klein gat op ongeveer twee millimeter afstand van waar het schedelvenster in de zijkant van de schedel wordt gemaakt, waardoor het thermokoppel in positie kan worden geschoven onder waar het boren van het schedelvenster plaatsvindt. Begin met het boorproces voor elk van de drie schema's zoals eerder gedemonstreerd, wat resulteert in pieken als gevolg van temperatuurverandering, wat wijst op verwarming in de buurt van de hersenen terwijl de boor door de schedel gaat. Het potentieel voor thermische schade werd geëvalueerd door de temperatuurverandering ten opzichte van de basislijn te meten als gevolg van boren met behulp van horizontale, punt voor punt en gepulseerde punt voor punt methoden.Zowel de horizontale als de puntsgewijze boorschema's vertonen niet-significante verschillen in thermische veranderingen. Het overschakelen naar een gepulseerde punt voor punt methode resulteerde echter in aanzienlijk minder opwarming van de hersenen dan zowel horizontaal als punt voor punt boren. Het horizontaal randboren duurde 300 seconden, terwijl punt voor punt randboren 200 seconden duurde.De pulsmethode duurde het langst met zaad- en randboringen en duurde elk ongeveer 500 seconden. Om de relatie tussen het boorschema en vasculaire schade te volgen, werd Evans blauwe fluorescerende beeldvorming uitgevoerd. Het boren via horizontaal en punt voor punt snijden bleek schadelijk te zijn voor de vasculatuur in de hersenen.In vergelijking met de controlegroepen had de gepulseerde punt voor punt-methode minder gelokaliseerde schade aan het zaad- en randpunt, maar had nog steeds zichtbare Evans-blauwe aanwezigheid in het schedelvenster. Bij handmatig boren is het cruciaal om de craniotomie na het vooruitzetten van de boor te controleren om er zeker van te zijn dat de dura niet wordt doorbroken. Naast schedelvensters kan een chirurgische robot worden gebruikt voor standaard craniotomieën om de chirurgische resultaten te verbeteren.

Research

JoVE Journal

Neuroscience

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

Intravitale Microscopie van de hersenen van muizen microcirculatie met behulp van een gesloten 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

Beoordeling van de Morfine-geïnduceerde hyperalgesie en analgesietolerantie in Muizen middel van thermische en mechanische Nociceptieve modaliteiten

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

Laterale Chronische Cranial Window Voorbereiding Maakt<em&gt; In Vivo</em&gt; Observatie Na distale midden cerebrale slagader Occlusie in Muizen

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

Beoordeling van Hippocampale Dendritische Complexiteit in Oude Muizen Met behulp van de Golgi-Cox Methode

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 hoge nauwkeurigheid chirurgische Osteal verwijdering (FASOR): Een techniek voor verbeterde craniale venster chirurgie in muizen

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

Craniotomie procedure voor het visualiseren van neuronale activiteiten in Hippocampus van zich gedragende muizen

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

Implantatie van een schedelvenster voor herhaalde in vivo beeldvorming bij wakkere muizen

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

Beoordeling van sensorische drempels bij honden met behulp van mechanische en hete thermische kwantitatieve sensorische tests

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

Doseringsgecorrigeerde weerstandstraining bij muizen met een verminderd risico op spierschade

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 Wide-Field en Two-Photon Calcium Imaging van een muis met behulp van een groot craniaal venster

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 ...