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

Это исследование было частично поддержано наградами за заслуги GRANT12418820 (Кападона) и GRANTI01RX003420 (Шоффстолл/Кападона), а также премией за карьеру ученого-исследователя # GRANT12635707 (Кападона) от Службы исследований и разработок в области реабилитации Министерства по делам ветеранов США (США). Кроме того, эта работа также была частично поддержана Национальным институтом здравоохранения, Национальным институтом неврологических расстройств и инсульта GRANT12635723 (Кападона) и Национальным институтом биомедицинской визуализации и биоинженерии, T32EB004314 (Capadona/Kirsch). Этот материал основан на работе, поддержанной стипендией Национального научного фонда для аспирантов в рамках гранта No GRANT12635723. Любые мнения, выводы, выводы или рекомендации, выраженные в этом материале, принадлежат авторам и не обязательно отражают точку зрения Национального научного фонда.

Все процедуры и методы ухода за животными были рассмотрены, одобрены и выполнены в соответствии с Комитетом по институциональному уходу за животными и их использованию Медицинского центра Департамента по делам ветеранов Луиса Стокса в Кливленде.
1. Настройка оборудо...

<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>

Использование красителя EB и визуализации является простым, быстрым и полезным для оценки сосудистых повреждений в головном мозге для новых методов и техник. Независимо от того, используете ли вы хирургического робота или подтверждаете методы, которые в настоящее время проводятся в ла?...

Черепные окна стали повсеместно использоваться в областях неврологии, нейронной инженерии и биологии, чтобы обеспечить прямую визуализацию и визуализацию коры головного мозга у живых животных 1,2,3,4,5,6,7,8,9,10,11 . Мощная комбинация трансгенных мышей и многофотонной визуализации дала чрезвычайно ценную информацию об активности цепи и других биологических знаниях в мозге in vivo 12,13,14,15,16,17,18. Миниатюрные микроскопы, установленные на черепе, еще больше расширили эти возможности, чтобы обеспечить запись бодрствующих, свободно движущихся животных19. Процесс создания черепного окна требует силового сверления для истончения или полного удаления черепной кости для получения достаточно больших краниотомий, чтобы закрепить прозрачный кусок стекла над корой20. Полидиметилсилоксан (ПДМС) и другие полимеры также были испытаны в качестве материалов для черепных окон 9,21. В конечном счете, идеальное черепное окно - это то, которое не изменяет и не мешает нормальной эндогенной активности под ним. Тем не менее, общепризнано, что сверление черепного окна усугубляет подлежащую ткань, что приводит к повреждению мозга, нарушению окружающей среды и влиянию на мозговые оболочки до такой степени, что закупоривает многофотонную визуализацию глубиной22. Возникающее в результате нейровоспаление имеет широкий спектр эффектов, начиная от проницаемости гематоэнцефалического барьера (ГЭБ) и заканчивая активацией и рекрутированием глиальных клеток вокруг местаимплантации 23. Таким образом, определение более безопасных и воспроизводимых методов сверления черепных окон имеет решающее значение для стабильного качества визуализации и снижения смешанных факторов.
В то время как принимаются меры для минимизации травмы подлежащих тканей, акт сверления кости может вызвать как термические, так и механические возмущения мозга24,25. Механическая травма в результате случайного проникновения сверла в твердую мозговую оболочку может дополнительно вызвать повреждение коры головного мозга различной степени24. В исследовании, проведенном Shoffstall et al.25, тепло от сверления костей приводило к повышенной проницаемости ГЭБ, о чем свидетельствует присутствие красителя Evans Blue (EB) в паренхиме головного мозга 25. Краситель БЭ, вводимый внутривенно, связывается с циркулирующим альбумином в кровотоке и, следовательно, обычно не проникает через здоровый ГЭБ в заметных концентрациях. В результате краситель EB обычно используется в качестве чувствительного маркера проницаемости ГЭБ26,27. Хотя их исследование напрямую не измеряло влияние проницаемости ГЭБ на последующие биологические последствия, предыдущие исследования коррелировали проницаемость ГЭБ с повышенной нейровоспалительной реакцией на хронически имплантированные микроэлектроды и изменениями двигательной функции28.
В зависимости от целей исследования, величина термических и механических повреждений может способствовать источнику экспериментальной ошибки, отрицательно влияя на строгость и воспроизводимость исследования. Существуют десятки цитируемых методов изготовления черепных окон, каждый из которых использует различное буровое оборудование, скорости, методы и пользователей 1,2,3,4,5,6,7,8,9,10,11. Shoffstall et al.25 сообщили, что наблюдаемые изменения в результатах нагрева были связаны с изменчивостью приложенной силы бура, скорости подачи и угла применения, а также с другими аспектами, которые не могут контролироваться при бурении вручную 25. Существует мнение, что автоматизированные системы бурения и другое стереотаксическое оборудование могут улучшить воспроизводимость и согласованность результатов, но опубликованные исследования методов не проводили строгой оценки температуры или проницаемости ГЭБ в качестве одного из результатов. Таким образом, существует потребность в более воспроизводимых и последовательно применяемых методах изготовления черепных окон, а также в методах, строго применяемых для оценки воздействия сверления черепных окон на подлежащую нервную ткань.
Основное внимание в этом исследовании уделяется определению и разработке последовательных и безопасных методов бурения черепных окон. Размер трепанации черепа для установки черепного окна значительно больше, чем у стандартной трепанации для имплантированных в мозг микроэлектродов. Такая трепанация черепа не может быть выполнена с помощью одного отверстия для заусенцев при использовании стандартного оборудования, тем самым привнося большую вариабельность техники между хирургами при выполнении рукой20. Хирургические буровые роботы были введены в поле, но не получили широкого распространения 1,6,29. Автоматизация бурения обеспечивает контроль над переменными, способствующими наблюдаемым изменениям от испытания к испытанию, предполагая, что использование оборудования может уменьшить меж- и внутрихирургические эффекты. Это представляет особый интерес, учитывая дополнительную сложность большой трепанации черепа, необходимой для установки черепного окна. Хотя можно было бы предположить, что автоматизация бурения дает очевидные преимущества для контроля, было мало оценок внедрения этого оборудования. Хотя видимых поражений не наблюдалось5, желателен тест с более высокой чувствительностью с использованием БЭ.
Здесь проницаемость ГЭБ измеряется с помощью коммерчески доступного хирургического сверлильного робота с соответствующим программным обеспечением, которое позволяет программировать стереотаксические координаты, планировать/картировать трепанацию черепа и выбирать стили бурения («точка за точкой» и «горизонтально»), ссылаясь на маршрутизированную траекторию бурового долота. Вначале просверливаются восемь «семенных» точек (рис. 1А), очерчивающих краниальное окно. Отсюда пространство между семенами вырезается с помощью «точечного» или «горизонтального» метода сверления. «Точка за точкой» выполняет вертикальные пропилы пилотных отверстий (аналогично сверлильному станку с ЧПУ), а «горизонтальный» выполняет горизонтальные разрезы по окружности черепного окна, которые очерчивают отверстие (аналогично фрезерному станку с ЧПУ). Результатом обоих методов является кусок черепа, который можно удалить, чтобы открыть черепное окно. Чтобы изолировать повреждения от сверления, черепное окно физически не удаляется, чтобы избежать каких-либо дополнительных повреждений. Комбинация красителя EB в сочетании с флуоресцентной визуализацией используется для измерения проницаемости ГЭБ после выполнения краниотомии у мышей, а вставленная термопара используется для непосредственного измерения температуры поверхности мозга во время сверления (рис. 1B, C). Предыдущие наблюдения показали, что импульсное включение/выключение бурения с интервалом 2 с было достаточным для смягчения нагревасверла 25 и, следовательно, включено в экспериментальный подход для хирургического робота.
Целью представленной работы является демонстрация методов оценки термических повреждений от трепанации черепа. Хотя методы представлены в контексте автоматизированного бурения, такие методы могут быть применены и к схемам ручного бурения. Эти методы могут быть использованы для проверки использования оборудования и/или схем бурения перед принятием в качестве стандартной процедуры.
<img alt="Figure 1" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/64188/64188fig01.jpg"> Рисунок 1: Схема экспериментального трубопровода. Схема, демонстрирующая процесс, которому подверглись животные для количественной оценки БЭ после процедуры черепного окна. (A) Схематическая установка мыши со стереотаксической рамой и дрелью хирургического робота. Пример черепного окна показан над моторной корой с начальными точками (зеленый) и краевыми точками (синий). (B) Перфузионная установка включает в себя инъекцию 1x фосфатного буферного физиологического раствора (PBS) по всему животному для удаления крови с последующим извлечением мозга. (C) Затем мозг помещают в камеру флуоресцентной системы визуализации EB для проведения флуоресцентной визуализации на красителе Evans Blue. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/64188/64188fig01large.jpg" target="_blank">Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этого рисунка.</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

Хирургия черепного окна позволяет визуализировать мозговую ткань у живых мышей с использованием многофотонных или других методов прижизненной визуализации. Однако при выполнении любой трепанации черепа вручную часто происходит термическое повреждение ткани головного мозга, которое по своей сути варьируется от операции к операции и может зависеть от индивидуальной техники хирурга. Внедрение хирургического робота может стандартизировать хирургическое вмешательство и привести к уменьшению термических повреждений, связанных с хирургическим вмешательством. В этом исследовании были протестированы три метода роботизированного бурения для оценки теплового повреждения: горизонтальный, точечный и импульсный точечно. Горизонтальное бурение использует схему непрерывного сверления, в то время как точечное сверление нескольких отверстий, охватывающих краниальное окно. Импульсная точка за точкой добавляет схему бурения «2 с вкл., 2 с выкл.» для обеспечения охлаждения между бурениями. Флуоресцентная визуализация красителя Evans Blue (EB), вводимого внутривенно, измеряет повреждение тканей головного мозга, в то время как термопара, помещенная под место сверления, измеряет термическое повреждение. Результаты термопар указывают на значительное снижение изменения температуры в импульсной двухточечной (6,90 °C ± 1,35 °C) группе по сравнению с горизонтальной (16,66 °C ± 2,08 °C) и точечной (18,69 °C ± 1,75 °C) группами. Аналогичным образом, импульсная точечная группа также показала значительно меньшее присутствие БЭ после сверления черепного окна по сравнению с горизонтальным методом, что указывает на меньшее повреждение кровеносных сосудов в головном мозге. Таким образом, импульсный точечный метод бурения представляется оптимальной схемой снижения термического повреждения. Роботизированная дрель — полезный инструмент, помогающий свести к минимуму обучение, вариативность и уменьшить термические повреждения. С расширением использования многофотонной визуализации в исследовательских лабораториях важно повысить строгость и воспроизводимость результатов. Методы, рассмотренные здесь, помогут проинформировать других о том, как лучше использовать этих хирургических роботов для дальнейшего продвижения в этой области.

Термическая оценка Потенциал термического повреждения оценивали путем измерения изменения температуры от исходной линии из-за бурения с использованием горизонтального (рис. 2А), точечного (рис. 2В) и импульсного точечного (рис. 2В) методов<strong cl...

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

Черепные окна стали повсеместно применяемым хирургическим методом, позволяющим проводить прижизненную визуализацию у трансгенных мышей. Этот протокол описывает использование хирургического робота, который выполняет полуавтоматическое сверление костей черепных окон и может помочь уменьшить вариабельность от хирурга к хирургу и частично смягчить термическое повреждение гематоэнцефалического барьера.

Оценка термических повреждений от роботизированной краниотомии для хирургии черепного окна у мышей

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

Этот протокол предоставляет метод оценки повреждения сосудов в результате сверления черепного окна. Хирургический робот обеспечивает улучшенную согласованность между процедурами, сокращая при этом объем обучения для изучения техники. Во время этой процедуры мы использовали черепные инъекции, которые могут быть очень сложными.Мы рекомендуем обширное обучение для новичков в технике. Для начала настройте систему, как описано в рукописи, и выполните калибровку кадра в соответствии с руководством по хирургическому роботу. Перейдите к хирургическому программному обеспечению и создайте новый проект, выбрав «Начать с чистого проекта».Затем установите объект в качестве мыши вверху, чтобы обозначить атлас координат сверления, который будет использоваться. Затем выберите «Начать новый проект» и нажмите «Планирование» в левом нижнем углу, чтобы перейти к экрану планирования координат бурения. Создайте схему сверления для техники черепного окна, которая будет выполняться, щелкнув в любом месте стереотаксического атласа.Используйте брегму в качестве эталона и введите координаты моторной коры, как описано в рукописи. Нажмите Enter на клавиатуре, чтобы обновить выбранные координаты. Щелкните цель хранилища, чтобы сохранить эти координаты и ввести соответствующее имя.Затем нажмите кнопку перемещения в левом нижнем углу, чтобы вернуться к основному экрану сверления. Нажмите «Инструменты», затем «Проект» и «Сохранить как опцию», чтобы повторно использовать этот шаблонный проект для последующих проектов, так как он автоматически сохранит координаты бурения. Во-первых, введите подкожные инъекции антибиотиков, цефазолина, анальгетика, карпрофена и бупренорфина анестезированной мыши.Затем поместите мышь на грелку и поддерживайте анестезию изофлураном от 0,5% до 2% путем ингаляции через носовой конус. Установите животное на стереотаксическую раму хирургического робота, используя прилагаемые ушные планки, и регулярно оценивайте жизненно важные органы и глубину анестезии с помощью защемления пальцев ног. Затем потрите операционную область хлоргексидина глюконатом и 70% изопропанолом для стерилизации.И поместите стерильную полиэтиленовую пленку на мышь и стереотаксическую рамку, чтобы сохранить стерильность во время операции. Используя лезвие скальпеля, сделайте разрез в один дюйм по средней линии черепа, начиная с задней части глаз, высушите и очистите череп с помощью 3% перекиси водорода с помощью аппликаторов с ватными наконечниками. Чтобы подготовить хвост к легкому уколу, протрите его спиртом.Большим и указательным пальцами согните хвост, чтобы обнажить хвостовую вену поверх изгиба хвоста. Вставьте шприц параллельно вене и медленно введите объем синего Эванса. После инъекции подождите пять минут, чтобы синий Эванс циркулировал.Успешная инъекция немедленно проверяется, когда конечности мыши и хирургическое окно становятся синими. После того, как череп подготовлен к сверлению, вернитесь к хирургическому программному обеспечению и нажмите на инструменты. Затем выберите проект, а затем «Создать» и выберите проект-шаблон в раскрывающемся меню, чтобы выбрать проект-шаблон.Выберите те же элементы протокола. Нажмите «Планирование», затем выберите параметры бурения для переноса в этот новый проект и нажмите «Начать новый проект». Затем исправьте сверло и раму, чтобы учесть наклон и масштабирование черепа мыши текущего животного, щелкнув инструменты, и выберите правильный наклон и масштабирование, чтобы открыть экран коррекции.В верхней части экрана убедитесь, что сверло активно, нажав на светло-красную кнопку сверла. После выполнения коррекции выйдите из окна коррекции, нажав кнопку «Закрыть» в нижней средней части экрана, и перейдите к экрану сверления, щелкнув инструменты, а затем выбрав сверло, чтобы начать процедуру сверления. Подтвердите место сверления, выбрав окно формы трепанации черепа в верхней части экрана, а затем просмотрев сведения о цели бурения в раскрывающемся списке ниже. Чтобы выполнить ручное импульсное сверление, отключите функцию автоматической остановки, сняв флажок рядом с опцией автоматической остановки в меню сверла, которая позволяет контролировать, когда дрель выключена для пульсации.В меню сверления выберите 100 микрометров в качестве повышения глубины бурения. Откройте меню буровой площадки и перейдите к первой буровой площадке. Используйте кнопку продвижения или ручное управление, чтобы опустить сверло до тех пор, пока оно не коснется черепа, и нажмите на установленную поверхность, как только сверло достигнет черепа.Когда все будет готово, нажмите «Вперед», чтобы начать бурение. И после того, как сверло продвинутся на 100 микрометров, дважды нажмите Escape, чтобы остановить сверло. Через две секунды повторите этот цикл для глубины черепа.Для каждой затравки и точки края во время сверления убедитесь, что твердая мозговая оболочка установлена с помощью кнопки в меню бурения, как только твердая мозговая оболочка будет достигнута. Измерьте изменения температуры черепа и мозга с помощью термопары в сочетании с тремя различными схемами сверления, подключенными к системе сбора данных, что позволяет считывать результаты измерений в MATLAB. Установите мышь с трупом на стереотаксическую раму и установите роботизированную дрель.Вручную просверлите небольшое отверстие примерно в двух миллиметрах от того места, где черепное окно будет сделано в боковой части черепа, что позволит сдвинуть термопару в нужное положение под тем местом, где происходит сверление черепного окна. Начните процесс сверления для каждой из трех схем, как показано ранее, что приведет к всплескам из-за изменения температуры, что указывает на нагрев, происходящий вблизи мозга, когда сверло проходит через череп. Потенциал термического повреждения оценивали путем измерения изменения температуры от исходного уровня из-за бурения с использованием горизонтального, точечного и импульсного точечного методов.Как горизонтальная, так и точечная схемы бурения показывают незначительные различия в тепловых изменениях. Однако переход к импульсному точечному методу привел к значительно меньшему нагреву мозга, чем горизонтальное и точечное сверление. Горизонтальное сверление кромок заняло 300 секунд, а точечное сверление кромок заняло 200 секунд.Импульсный метод занял больше всего времени при посевном и кромочном бурении, занимая примерно 500 секунд каждый. Для мониторинга взаимосвязи между схемой сверления и повреждением сосудов была выполнена синяя флуоресцентная визуализация Эванса. Было замечено, что сверление с помощью горизонтальной и точечной резки повреждает сосудистую сеть мозга.По сравнению с контрольными группами, импульсный точечный метод имел меньше локализованных повреждений в семенной и краевой точках, но все же имел видимое присутствие синего Эванса в черепном окне. При ручном сверлении крайне важно проверить трепанацию черепа после продвижения сверла, чтобы убедиться, что твердая мозговая оболочка не повреждена. В дополнение к черепным окнам, хирургический робот может быть использован для стандартных краниотомий для улучшения хирургических результатов.

Research

JoVE Journal

Neuroscience

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

Прижизненные микроскопия микроциркуляции мозга мыши, используя Закрытая черепно 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

Оценка Морфин-индуцированной гипералгезии и обезболивающее толерантности в мышей с использованием тепловых и механических Ноцицептивная Механизмы

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

Боковой Хронический Черепно Окно Подготовка Включает<em&gt; В Vivo</em&gt; Наблюдение После Дистальный средней мозговой артерии у мышей Occlusion

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

Оценка гиппокампальной дендритной сложности у пожилых мышей с использованием метода Гольджи-Кокса

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 высокой точности хирургических мясокостной удаления (ИЗМЕРЕННЫЕ): Техника для улучшенное окно черепной хирургии в мышей

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

Процедура краниотомии для визуализации нейронной активности в гиппокампе мышей

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

Имплантация краниального окна для повторной визуализации In Vivo у бодрствующих мышей

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

Оценка сенсорных порогов у собак с использованием механического и горячего термического количественного сенсорного тестирования

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

Тренировка с отягощениями с поправкой на дозировку у мышей с пониженным риском повреждения мышц

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

В городе Виво Широкоугольная и двухфотонная визуализация кальция с помощью мыши с помощью большого краниального окна

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 ...