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 studien ble støttet delvis av Merit Review Awards GRANT12418820 (Capadona) og GRANTI01RX003420 (Shoffstall / Capadona), og Research Career Scientist Award # GRANT12635707 (Capadona) fra USA (US) Department of Veterans Affairs Rehabilitation Research and Development Service. I tillegg ble dette arbeidet også delvis støttet av 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 materialet er basert på arbeid støttet av National Science Foundation Graduate Research Fellowship under Grant No. GRANT12635723. Eventuelle meninger, funn og konklusjoner eller anbefalinger uttrykt i dette materialet er de av forfatterne (e) og gjenspeiler ikke nødvendigvis synspunktene til National Science Foundation.

Alle prosedyrer og dyrepleiepraksis ble gjennomgått, godkjent av og utført i samsvar med Louis Stokes Cleveland Department of Veterans Affairs Medical Center Institutional Animal Care and Use Committee.
1. Oppsett av kirurgisk robotmaskinvare
<ol><li>Før operasjonen, følg den kirurgiske roboten (se Materialfortegnelse) håndbok og veiledning for å sette opp maskinvare og programvare. Utfør rammekalibrering som beskrevet i håndboken. Hvis boret eller r...

<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>

Bruk av EB-fargestoff og avbildning er enkelt, raskt og nyttig for å evaluere vaskulær skade i hjernen for nye metoder og teknikker. Enten du bruker en kirurgisk robot eller bekrefter metoder som for tiden gjøres i laboratoriet, er det viktig å validere kirurgiske metoder for å isolere effekten av eksperimentelle behandlinger vs. kirurgisk påvirkning og forbedre dyrevelferden. Et termoelementoppsett er også nyttig for å evaluere boremetoder for å sikre at det ikke oppstår oppvarming. Temperaturøkninger på gru...

Kranialvinduer har blitt allestedsnærværende brukt innen nevrovitenskap, nevralteknikk og biologi for å muliggjøre direkte visualisering og avbildning av cortex hos levende dyr 1,2,3,4,5,6,7,8,9,10,11 . Den kraftige kombinasjonen av transgene mus og multifotonavbildning har gitt ekstremt verdifull innsikt i kretsaktivitet og annen biologisk innsikt i in vivo-hjernen 12,13,14,15,16,17,18. Miniatyrmikroskoper montert på hodeskallen har ytterligere utvidet disse mulighetene for å muliggjøre opptak i våkne, fritt bevegelige dyr19. Prosessen med å lage et kranialvindu krever kraftboring for å tynne eller helt fjerne kranialbenet for å produsere store nok kraniotomier for å sikre et gjennomsiktig stykke glass over cortex20. Polydimetylsiloksan (PDMS) og andre polymerer har også blitt testet som kraniale vindusmaterialer 9,21. Til syvende og sist er det ideelle kranialvinduet et som ikke endrer eller forstyrrer normal endogen aktivitet under. Imidlertid er det allment akseptert at kranialvinduboring forverrer underliggende vev, noe som fører til skade på hjernen, forstyrrelse av miljøet og påvirker meninges til det punktet å okkludere multifoton bildedybde22. Den resulterende nevroinflammasjonen har et bredt spekter av effekter som spenner fra permeabilitet av blod-hjernebarrieren (BBB), til aktivering og rekruttering av gliaceller rundt implantatstedet23. Derfor er karakterisering av sikrere og mer reproduserbare kraniale vindusboremetoder avgjørende for konsistent bildekvalitet og reduksjon av forstyrrende faktorer.
Mens det tas hensyn til å minimere traumer til det underliggende vevet, har boringen av beinet potensial til å forårsake både termiske og mekaniske forstyrrelser i hjernen24,25. Mekanisk traume fra utilsiktet borepenetrasjon i dura kan ytterligere indusere varierende grad av kortikal skade24. I en studie av Shoffstall et al.25 resulterte varmen fra beinboring i økt BBB-permeabilitet, som indikert ved tilstedeværelsen av Evans Blue (EB) fargestoff i hjerneparenkymet 25. EB-fargestoff, injisert intravenøst, binder seg til sirkulerende albumin i blodet og krysser derfor normalt ikke en sunn BBB i nevneverdige konsentrasjoner. Som et resultat blir EB-fargestoff ofte brukt som en sensitiv markør for BBB-permeabilitet26,27. Selv om studien deres ikke direkte målte virkningen av BBB-permeabiliteten på påfølgende biologiske følger som ble studert, har tidligere studier korrelert BBB-permeabilitet til økt nevroinflammatorisk respons på kronisk implanterte mikroelektroder og endringer i motorisk funksjon28.
Avhengig av målene for studien, kan størrelsen på termisk og mekanisk skade bidra til en kilde til eksperimentell feil, som negativt påvirker studiens strenghet og reproduserbarhet. Det finnes dusinvis av siterte metoder for å produsere kraniale vinduer, hver med forskjellig boreutstyr, hastigheter, teknikker og brukere 1,2,3,4,5,6,7,8,9,10,11. Shoffstall et al.25 rapporterte at den observerte variasjonen i oppvarmingsresultatene ble tilskrevet variabilitet i borets påførte kraft, matehastighet og påføringsvinkel, blant andre aspekter som ikke kan kontrolleres for ved boring for hånd 25. Det er en tro på at automatiserte boresystemer og annet stereotaktisk utstyr kan forbedre reproduserbarhet og utfallskonsistens, men publiserte metodestudier har ikke grundig evaluert temperatur eller BBB-permeabilitet som et av resultatene. Derfor er det behov for mer reproduserbare og konsekvent anvendte metoder for å produsere kraniale vinduer, samt metoder som brukes nøye for å vurdere virkningen av kranialvindusboring på underliggende nevralvev.
Fokus for denne studien er å bestemme og utvikle konsistente og sikre boremetoder for kraniale vinduer. Størrelsen på kraniotomi for kranialvinduinstallasjon er betydelig større enn standard kraniotomier for hjerneimplanterte mikroelektroder. Slike kraniotomier kan ikke kompletteres med et enkelt burrhull ved bruk av standardutstyr, og introduserer dermed mer variasjon i teknikken mellom kirurger når de utføres for hånd20. Kirurgiske boreroboter har blitt introdusert til feltet, men har ikke blitt utbredt 1,6,29. Automatisering av boring gir kontroll over variabler som bidrar til observert variasjon fra forsøk til forsøk, noe som tyder på at bruk av utstyret kan redusere inter- og intrakirurgeffekter. Dette er av spesiell interesse gitt den ekstra vanskeligheten med den større kraniotomien som trengs for kranialvindusplassering. Mens man kan anta at det er klare fordeler med kontrollen som automatiserer boringen gir, har det vært lite vurdering av implementeringen av dette utstyret. Selv om synlige lesjoner ikke er observert5, er man ønskelig med høyere sensitivitetstest med EB.
Her måles BBB-permeabilitet ved hjelp av en kommersielt tilgjengelig kirurgisk borerobot med tilhørende programvare, som muliggjør programmering av stereotaktiske koordinater, kraniotomiplanlegging/kartlegging og et utvalg av borestiler ("punkt-for-punkt" vs "horisontal"), med henvisning til borekronens rutede bane. I utgangspunktet bores åtte "frø" -punkter (figur 1A), som beskriver kranialvinduet. Herfra kuttes mellomrommet mellom frøene ut ved hjelp av enten "punkt-for-punkt" eller "horisontal" boremetode. "Punkt-for-punkt" utfører vertikale pilothullkutt (ligner på en CNC-borepresse), mens "horisontal" utfører horisontale kutt langs omkretsen av kranialvinduet som skisserer hullet (ligner på en CNC-ruter). Resultatet for begge metodene er et stykke hodeskalle som kan fjernes for å avsløre kranialvinduet. For å isolere skader fra boring, fjernes ikke kranialvinduet fysisk, for å unngå ytterligere skade. En kombinasjon av EB-fargestoff kombinert med fluorescerende avbildning brukes til å måle BBB-permeabilitet etter å ha utført kraniotomier hos mus, og et innsatt termoelement brukes til å måle temperaturen på hjerneoverflaten direkte under boring (figur 1B, C). Tidligere observasjoner indikerte at pulserende boring på/av med 2 s intervaller var tilstrekkelig til å redusere borevarme25, og er derfor innarbeidet i den eksperimentelle tilnærmingen for operasjonsroboten.
Hensikten med det presenterte arbeidet er å demonstrere metoder for å vurdere termisk skade fra kraniotomiboring. Mens metodene presenteres i sammenheng med automatisert boring, kan slike metoder også brukes på manuelle boreordninger. Disse metodene kan brukes til å validere bruken av utstyr og/eller boreskjemaer før de tas i bruk som standardprosedyre.
<img alt="Figure 1" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/64188/64188fig01.jpg"> Figur 1: Skjematisk eksperimentell pipeline. Skjematisk demonstrering av prosessen dyr gjennomgikk for EB-kvantifisering etter kranialvindusprosedyre. (A) Skjematisk oppsett av musen med stereotaksisk ramme og kirurgisk robotbor. Et eksempel på kranievindu er vist over den motoriske hjernebarken med frøpunkter (grønn) og kantpunkter (blå). (B) Perfusjonsoppsettet inkluderer injeksjon av 1x fosfatbufret saltvann (PBS) i hele dyret for å fjerne blod, etterfulgt av ekstraksjon av hjernen. (C) Hjernen blir deretter satt inn i EB fluorescerende bildesystemkammer for å utføre fluorescerende avbildning på Evans Blue-fargestoffet. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/64188/64188fig01large.jpg" target="_blank">Klikk her for å se en større versjon av denne figuren.</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 vinduskirurgi muliggjør avbildning av hjernevev i levende mus ved bruk av multifoton eller andre intravitale bildebehandlingsteknikker. Men når du utfører kraniotomi for hånd, er det ofte termisk skade på hjernevev, som er iboende variabel kirurgi til kirurgi og kan være avhengig av individuell kirurgteknikk. Implementering av en kirurgisk robot kan standardisere kirurgi og føre til en reduksjon i termisk skade forbundet med kirurgi. I denne studien ble tre metoder for robotboring testet for å evaluere termisk skade: horisontal, punkt-for-punkt og pulserende punkt-for-punkt. Horisontal boring benytter et kontinuerlig boreskjema, mens punkt-for-punkt borer flere hull som omfatter kranialvinduet. Pulsert punkt-for-punkt legger til et "2 s på, 2 s av" boreskjema for å tillate avkjøling mellom boring. Fluorescerende avbildning av Evans Blue (EB) fargestoff injisert intravenøst måler skade på hjernevev, mens et termoelement plassert under borestedet måler termisk skade. Termoelementresultater indikerer en signifikant reduksjon i temperaturendring i gruppen pulserende punkt-for-punkt (6,90 °C ± 1,35 °C) sammenlignet med gruppen horisontal (16,66 °C ± 2,08 °C) og punkt-for-punkt (18,69 °C ± 1,75 °C). Tilsvarende viste den pulserende punkt-for-punkt-gruppen også signifikant mindre EB-tilstedeværelse etter kranial vindusboring sammenlignet med den horisontale metoden, noe som indikerer mindre skade på blodkar i hjernen. Dermed ser en pulserende punkt-for-punkt-boremetode ut til å være den optimale ordningen for å redusere termisk skade. En robotdrill er et nyttig verktøy for å minimere trening, variasjon og redusere termisk skade. Med den økende bruken av multifotonavbildning på tvers av forskningslaboratorier, er det viktig å forbedre strengheten og reproduserbarheten av resultatene. Metodene som tas opp her, vil bidra til å informere andre om hvordan man bedre kan bruke disse kirurgiske robotene for å fremme feltet ytterligere.

Termisk evaluering Potensialet for termisk skade ble evaluert ved å måle temperaturendringen fra baseline på grunn av boring ved hjelp av horisontale (figur 2A), punkt-for-punkt (figur 2B) og pulserende punkt-for-punkt (figur 2C) metoder. Figur 2D viser det eksperimentelle oppsettet for innhenting av termiske data. En prøvestørrelse på N = 4 kraniale vinduer ble brukt til termi...

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

Kraniale vinduer har blitt en allestedsnærværende implementert kirurgisk teknikk for å tillate intravital avbildning i transgene mus. Denne protokollen beskriver bruken av en kirurgisk robot som utfører halvautomatisk beinboring av kraniale vinduer og kan bidra til å redusere variasjonen mellom kirurg og kirurg og delvis redusere termisk blod-hjernebarriereskade.

Vurdering av termisk skade fra robotboret kraniotomi for kranialvinduskirurgi 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 protokollen gir en metode for å evaluere vaskulær skade som følge av kranial vindusboring. En kirurgisk robot gir forbedrede konsistenser på tvers av prosedyrer samtidig som den reduserer mengden trening for å lære teknikken. Under denne prosedyren brukte vi kraniale injeksjoner som kan være svært utfordrende.Vi anbefaler omfattende trening for de som er nye til teknikken. For å begynne, sett opp systemet som beskrevet i manuskriptet og utfør rammekalibrering etter den kirurgiske robothåndboken. Naviger til den kirurgiske programvaren og opprett et nytt prosjekt ved å velge start med et rent prosjekt.Sett deretter motivet som mus øverst for å angi borekoordinatatlaset som skal brukes. Velg deretter start nytt prosjekt, og klikk på planlegging nederst til venstre for å navigere til skjermbildet for planlegging av borekoordinater. Lag boreskjemaet for kranialvindusteknikken som skal utføres ved å klikke hvor som helst på det stereotaktiske atlaset.Bruk bregma som referanse og skriv inn koordinatene for den motoriske hjernebarken som beskrevet i manuskriptet. Trykk Enter på tastaturet for å oppdatere de valgte koordinatene. Klikk butikkmål for å lagre disse koordinatene og skrive inn et passende navn.Klikk deretter på flytteknappen nederst til venstre for å navigere tilbake til hovedboreskjermen. Klikk på verktøy, deretter projiser og lagre som alternativ for å gjenbruke dette malprosjektet for senere prosjekter, da det automatisk beholder borekoordinatene. Først administrerer subkutane injeksjoner av antibiotika, cefazolin, smertestillende, karprofen og buprenorfin til den bedøvede musen.Deretter plasserer du musen på en varmepute og opprettholder anestesi med 0,5% til 2% isofluran via innånding gjennom en nesekjegle. Monter dyret på den kirurgiske robotens stereotaktiske ramme ved hjelp av medfølgende ørestenger og vurder rutinemessig vitalitet og bedøvelsesdybde via tåklemme. Skrubb deretter operasjonsområdet med klorhexidinglukonat og 70% isopropanol for sterilisering.Og legg en steril plastfolie over musen og stereotaktisk ramme for å opprettholde steriliteten under operasjonen. Bruk et skalpellblad, utfør et en-tommers snitt på midtlinjen av skallen, starter på baksiden av øynene, tørker ut og rengjør skallen ved hjelp av 3% hydrogenperoksid med bomullstippede applikatorer. For å forberede halen for enkel injeksjon, tørk ned med alkohol.Bruk tommelen og pekefingeren, bøy halen for å eksponere halevenen på toppen av bøyningen av halen. Sett sprøyten parallelt med venen, og injiser langsomt volumet av Evans blått. Når det er injisert, vent i fem minutter for å la Evans blå sirkulere.En vellykket injeksjon blir umiddelbart verifisert når musens ekstremiteter og kirurgiske vindu blir blå. Når hodeskallen er klargjort for boring, naviger tilbake til den kirurgiske programvaren og klikk på verktøy. Velg deretter prosjekt, etterfulgt av ny, og velg et malprosjekt fra rullegardinmenyen for å velge et malprosjekt.Velg samme protokollelementer. Klikk på planlegging, velg deretter boreparametere som skal overføres til dette nye prosjektet, og klikk på start nytt prosjekt. Deretter korrigerer du boret og rammen for å ta hensyn til hellingen og skaleringen av museskallen til det gjeldende dyret ved å klikke verktøy, og velger Korriger for vipping og skalering for å åpne korrigeringsskjermen.Øverst på skjermen kontrollerer du at bormaskinen er aktiv ved å klikke på den lyserøde boreknappen Etter at korreksjonen er utført, går du ut av korreksjonsvinduet ved å klikke lukk nederst i midten av skjermen og navigerer til boreskjermen ved å klikke på verktøy og deretter velge drill for å starte boreprosedyren. Bekreft borestedet ved å velge vinduet for kraniotomifigur øverst i skjermbildet, etterfulgt av å vise detaljene for boremålet i rullegardinlisten nedenfor. For å utføre manuell pulsboring, slå av auto-stop-funksjonen ved å fjerne merket i avmerkingsboksen ved siden av auto-stop-alternativet i boremenyen, som gjør det mulig å kontrollere når boret er av for pulsering.I boremenyen velger du 100 mikrometer som fremdrift i boredybden. Åpne menyen for borestedet, og naviger til det første borestedet. Bruk forhåndsknappen eller manuelle kontroller for å senke boret til det berører skallen, og trykk på settoverflaten når borekronen når skallen.Når du er klar, klikker du på forhånd for å starte boringen. Og etter at boret har avansert 100 mikrometer, trykk Escape to ganger for å stoppe boret. Etter to sekunder, gjenta denne syklusen for dybden av skallen.For hvert frø- og kantpunkt under boring, sørg for å stille inn dura med knappen i boremenyen når duraen er nådd. Mål temperaturendringene i hodeskallen og hjernen ved hjelp av et termoelement i kombinasjon med de tre forskjellige boreskjemaene som er koblet til et datainnsamlingssystem, slik at målingen kan leses inn i MATLAB. Monter en kadavermus på den stereotaksiske rammen og robotboroppsettet.Bor manuelt et lite hull omtrent to millimeter unna der kranialvinduet skal gjøres til siden av skallen, noe som gjør at termoelementet kan skyves på plass under der boring av kranialvinduet skjer. Begynn boreprosessen for hver av de tre ordningene som vist tidligere, noe som resulterer i pigger på grunn av temperaturendring, noe som indikerer oppvarming som oppstår nær hjernen når boret går gjennom skallen. Potensialet for termisk skade ble evaluert ved å måle temperaturendringen fra baseline på grunn av boring ved hjelp av horisontale, punkt for punkt og pulserende punkt-for-punkt-metoder.Både horisontale og punktvise boreordninger viser ikke-signifikante forskjeller i termiske endringer. Endring til en pulserende punkt-for-punkt-metode resulterte imidlertid i betydelig mindre oppvarming av hjernen enn både horisontal og punktvis boring. Den horisontale kantboringen tok 300 sekunder, mens punkt-for-punkt-kantboring tok 200 sekunder.Pulsmetoden tok lengst tid med frø- og kantboring, og tok omtrent 500 sekunder hver. For å overvåke forholdet mellom boreskjemaet og vaskulær skade, ble Evans blå fluorescerende avbildning utført. Boring via horisontal og punktvis skjæring ble sett på som skadelig for vaskulaturen i hjernen.Sammenlignet med kontrollgruppene hadde pulserende punkt-for-punkt-metoden mindre lokalisert skade ved frø- og kantpunktet, men hadde fortsatt synlig Evans-blå tilstedeværelse i kranialvinduet. Ved manuell boring er det avgjørende å kontrollere kraniotomien etter å ha fremmet boret for å sikre at duraen ikke brytes. I tillegg til kraniale vinduer kan en kirurgisk robot brukes til standard kraniotomier for å 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 av Morphine-indusert hyperalgesi og smertestillende Toleranse i Mus Bruke termiske og mekaniske nociceptiv modaliteter

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 Kraniell Window Forberedelse Aktiverer<em&gt; I Vivo</em&gt; Observasjon etter Distal Middle Cerebral arterieokklusjon 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 av hippocampal dendritisk kompleksitet hos gamle mus ved bruk av 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 høy nøyaktighet kirurgisk Osteal fjerning (PHASOR): En teknikk for forbedret skallen vinduet 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

Kraniotomiprosedyre for visualisering av nevronale aktiviteter i Hippocampus av oppførende 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

Implantasjon av et kranialvindu for gjentatt in vivo-avbildning i våkne 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 av sensoriske terskler hos hunder ved bruk av mekanisk og varm termisk kvantitativ sensorisk testing

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

Dosejustert motstandstrening hos mus med redusert risiko for muskelskade

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 og Two-Photon Calcium Imaging fra en mus ved hjelp av et stort kranialt vindu

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 ...