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

Denna studie stöddes delvis av Merit Review Awards GRANT12418820 (Capadona) och GRANTI01RX003420 (Shoffstall / Capadona) och Research Career Scientist Award # GRANT12635707 (Capadona) från USA (USA) Department of Veterans Affairs Rehabilitation Research and Development Service. Dessutom stöddes detta arbete delvis av National Institute of Health, National Institute of Neurological Disorders and Stroke GRANT12635723 (Capadona) och National Institute for Biomedical Imaging and Bioengineering, T32EB004314, (Capadona / Kirsch). Detta material är baserat på arbete som stöds av National Science Foundation Graduate Research Fellowship under Grant No. GRANT12635723. Alla åsikter, resultat och slutsatser eller rekommendationer som uttrycks i detta material är författarnas och återspeglar inte nödvändigtvis National Science Foundation.

Alla procedurer och djurvårdsmetoder granskades, godkändes av och utfördes i enlighet med Louis Stokes Cleveland Department of Veterans Affairs Medical Center Institutional Animal Care and Use Committee.
1. Installation av kirurgisk robothårdvara
<ol><li>Före operationen, följ manualen och guiden för kirurgisk robot (se materialförteckning) för att ställa in hårdvara och programvara. Utför ramkalibrering enligt beskrivningen i handboken. Om borre...

<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>

Användningen av EB-färgämne och avbildning är enkel, snabb och användbar för att utvärdera vaskulär skada i hjärnan för nya metoder och tekniker. Oavsett om man använder en kirurgisk robot eller bekräftar metoder som för närvarande görs i labbet är det viktigt att validera kirurgiska metoder för att isolera effekterna av experimentella behandlingar kontra kirurgisk påverkan och förbättra djurskyddet. En termoelementinställning är också användbar vid utvärdering av borrmetoder för att säkerstäl...

Kranialfönster har blivit allestädes närvarande inom neurovetenskap, neuralteknik och biologi för att möjliggöra direkt visualisering och avbildning av cortex hos levande djur 1,2,3,4,5,6,7,8,9,10,11 . Den kraftfulla kombinationen av transgena möss och multifotonavbildning har gett extremt värdefulla insikter i kretsaktivitet och andra biologiska insikter i in vivo-hjärnan 12,13,14,15,16,17,18. Miniatyrmikroskop monterade på skallen har ytterligare utökat dessa möjligheter för att möjliggöra inspelningar i vakna, fritt rörliga djur19. Processen att skapa ett kranialfönster kräver kraftborrning för att tunna eller helt ta bort kranialbenet för att producera tillräckligt stora kraniotomier för att säkra en transparent glasbit över cortex20. Polydimetylsiloxan (PDMS) och andra polymerer har också testats som kranialfönstermaterial 9,21. I slutändan är det ideala kranialfönstret ett som inte förändrar eller stör normal endogen aktivitet under. Det är emellertid allmänt accepterat att kranial fönsterborrning förvärrar underliggande vävnad, vilket leder till skador på hjärnan, störningar i miljön och påverkar hjärnhinnorna till den grad att multifotonbilddjupet22 tillsluts. Den resulterande neuroinflammationen har ett brett spektrum av effekter som sträcker sig från permeabilitet av blod-hjärnbarriären (BBB), till aktivering och rekrytering av gliaceller runt implantatstället23. Därför är det avgörande att karakterisera säkrare och mer reproducerbara metoder för borrning av kranialfönster för att uppnå konsekvent bildkvalitet och minska störfaktorer.
Medan försiktighet vidtas för att minimera trauma mot den underliggande vävnaden, har borrningen av benet potential att orsaka både termiska och mekaniska störningar i hjärnan24,25. Mekaniskt trauma från oavsiktlig borrpenetration i dura kan ytterligare inducera varierande grader av kortikal skada24. I en studie av Shoffstall et al.25 resulterade värmen från benborrning i en ökad BBB-permeabilitet, vilket indikeras av närvaron av Evans Blue (EB) färgämne i hjärnparenkymet25. EB-färgämne, injicerat intravenöst, binder till cirkulerande albumin i blodomloppet och passerar därför normalt inte en hälsosam BBB i märkbara koncentrationer. Som ett resultat används EB-färgämne vanligtvis som en känslig markör för BBB-permeabilitet26,27. Medan deras studie inte direkt mätte effekten av BBB-permeabiliteten på efterföljande biologiska följder som studerades, har tidigare studier korrelerat BBB-permeabilitet till ett ökat neuroinflammatoriskt svar på kroniskt implanterade mikroelektroder och förändringar i motorisk funktion28.
Beroende på studiens mål kan storleken på termisk och mekanisk skada bidra till en källa till experimentellt fel, vilket negativt påverkar studiens rigor och reproducerbarhet. Det finns dussintals citerade metoder för att producera kranialfönster, var och en med olika borrutrustning, hastigheter, tekniker och användare 1,2,3,4,5,6,7,8,9,10,11. Shoffstall et al.25 rapporterade att den observerade variationen i uppvärmningsresultaten tillskrevs variabilitet i borrens applicerade kraft, matningshastighet och appliceringsvinkel, bland andra aspekter som inte kan kontrolleras vid borrning för hand 25. Det finns en tro på att automatiserade borrsystem och annan stereotaxisk utrustning kan förbättra reproducerbarheten och resultatkonsistensen, men publicerade metodstudier har inte noggrant utvärderat temperatur eller BBB-permeabilitet som ett av resultaten. Därför finns det ett behov av mer reproducerbara och konsekvent tillämpade metoder för att producera kranialfönster, liksom metoder som tillämpas noggrant för att bedöma effekterna av kranial fönsterborrning på underliggande nervvävnad.
Fokus för denna studie är att bestämma och utveckla konsekventa och säkra borrmetoder för kranialfönster. Storleken på kraniotomin för kranialfönsterinstallation är betydligt större än vanliga kraniotomier för hjärnimplanterade mikroelektroder. Sådana kraniotomier kan inte kompletteras med ett enda borrhål vid användning av standardutrustning, vilket introducerar mer interkirurgisk teknikvariation när den utförs för hand20. Kirurgiska borrrobotar har introducerats på fältet, men har inte antagits allmänt 1,6,29. Automatisering av borrning ger kontroll över variabler som bidrar till observerad variation från försök till försök, vilket tyder på att användning av utrustningen kan minska inter- och intrakirurgeffekter. Detta är av särskilt intresse med tanke på den extra svårigheten med den större kraniotomi som behövs för kranialfönsterplacering. Även om man kan anta att det finns tydliga fördelar med styrningen som tillhandahålls genom att automatisera borrningen, har det gjorts lite bedömning av implementeringen av denna utrustning. Även om synliga lesioner inte har observerats5, är det högre känslighetstestet med EB önskvärt.
Här mäts BBB-permeabiliteten med hjälp av en kommersiellt tillgänglig kirurgisk borrrobot med motsvarande programvara, som möjliggör programmering av stereotaktiska koordinater, kraniotomiplanering/kartläggning och ett urval av borrstilar ("punkt-för-punkt" vs "horisontell"), med hänvisning till borrkronans dirigerade väg. Ursprungligen borras åtta "frö" -punkter (figur 1A), som beskriver kranialfönstret. Härifrån skärs utrymmet mellan fröna ut med antingen "punkt-för-punkt" eller "horisontell" borrmetod. "Punkt-för-punkt" utför vertikala pilothålskärningar (liknar en CNC-borrpress), medan "horisontell" utför horisontella snitt längs kranialfönstrets omkrets som skisserar hålet (liknar en CNC-router). Resultatet för båda metoderna är en bit skalle som kan tas bort för att avslöja kranialfönstret. För att isolera skador från borrning avlägsnas inte kranialfönstret fysiskt för att undvika ytterligare skador. En kombination av EB-färgämne i kombination med fluorescerande avbildning används för att mäta BBB-permeabilitet efter att ha utfört kraniotomier hos möss, och ett infogat termoelement används för att direkt mäta temperaturen på hjärnytan under borrning (figur 1B, C). Tidigare observationer indikerade att pulsad borrning på/av med 2 s intervall var tillräckligt för att minska borruppvärmningen25, och ingår därför i den experimentella metoden för den kirurgiska roboten.
Syftet med det presenterade arbetet är att demonstrera metoder för att bedöma termiska skador från kraniotomiborrning. Medan metoderna presenteras i samband med automatiserad borrning kan sådana metoder också tillämpas på manuella borrscheman. Dessa metoder kan användas för att validera användningen av utrustning och/eller borrscheman innan de antas som standardförfarande.
<img alt="Figure 1" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/64188/64188fig01.jpg"> Figur 1: Schematisk experimentell rörledning. Schematisk demonstration av processen djur genomgick för EB-kvantifiering efter kraniell fönsterprocedur. (A) Schematisk inställning av musen med stereotaxisk ram och kirurgisk robotborr. Ett exempel på kranialfönster visas över motorcortex med fröpunkter (grön) och kantpunkter (blå). (B) Perfusionsinställningen inkluderar injektion av 1x fosfatbuffrad saltlösning (PBS) i hela djuret för att avlägsna blod, följt av extraktion av hjärnan. (C) Hjärnan placeras sedan i EB fluorescerande bildsystemkammare för att utföra fluorescerande avbildning på Evans Blue-färgämnet. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/64188/64188fig01large.jpg" target="_blank">Klicka här för att se en större version av denna figur.</a>

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

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

Kranial fönsterkirurgi möjliggör avbildning av hjärnvävnad hos levande möss med användning av multifoton eller andra intravitala avbildningstekniker. Men när man utför någon kraniotomi för hand finns det ofta termisk skada på hjärnvävnaden, vilket i sig är variabel kirurgi till kirurgi och kan vara beroende av individuell kirurgteknik. Implementering av en kirurgisk robot kan standardisera kirurgi och leda till en minskning av termiska skador i samband med kirurgi. I denna studie testades tre metoder för robotborrning för att utvärdera termiska skador: horisontell, punkt för punkt och pulsad punkt för punkt. Horisontell borrning använder ett schema för kontinuerlig borrning, medan punkt för punkt borrar flera hål som omfattar kranialfönstret. Pulsad punkt för punkt lägger till ett "2 s på, 2 s av" borrschema för att möjliggöra kylning mellan borrningen. Fluorescerande avbildning av Evans Blue (EB) färgämne injicerat intravenöst mäter skador på hjärnvävnad, medan ett termoelement placerat under borrplatsen mäter termisk skada. Termoelementresultaten indikerar en signifikant minskning av temperaturförändringen i den pulsade punkt-för-punkt-gruppen (6,90 °C ± 1,35 °C) jämfört med den horisontella (16,66 °C ± 2,08 °C) och punkt-för-punkt (18,69 °C ± 1,75 °C). På samma sätt visade den pulsade punkt-för-punkt-gruppen också signifikant mindre EB-närvaro efter kranialfönsterborrning jämfört med den horisontella metoden, vilket indikerar mindre skador på blodkärlen i hjärnan. Således verkar en pulsad punkt-för-punkt-borrmetod vara det optimala schemat för att minska termiska skador. En robotborr är ett användbart verktyg för att minimera träning, variation och minska termiska skador. Med den ökande användningen av multifotonavbildning över forskningslaboratorier är det viktigt att förbättra resultatens noggrannhet och reproducerbarhet. Metoderna som behandlas här kommer att hjälpa till att informera andra om hur man bättre kan använda dessa kirurgiska robotar för att ytterligare främja fältet.

Termisk utvärdering Potentialen för termiska skador utvärderades genom att mäta temperaturförändringen från baslinjen på grund av borrning med horisontella (figur 2A), punkt-för-punkt (figur 2B) och pulsade punkt-för-punkt (figur 2C). Figur 2D visar experimentuppställningen för att erhålla termiska data. En provstorlek på N = 4 kranialfönster användes för termisk utv...

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

Kranialfönster har blivit en allmänt implementerad kirurgisk teknik för att möjliggöra intravital avbildning i transgena möss. Detta protokoll beskriver användningen av en kirurgisk robot som utför halvautomatisk benborrning av kranialfönster och kan bidra till att minska variationen mellan kirurger och delvis mildra termiska skador på blod-hjärnbarriären.

Bedömning av termiska skador från robotborrad kraniotomi för kranial fönsterkirurgi hos möss

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

Detta protokoll tillhandahåller en metod för att utvärdera vaskulär skada till följd av kranial fönsterborrning. En kirurgisk robot erbjuder förbättrade konsistenser mellan procedurer samtidigt som mängden träning för att lära sig tekniken minskar. Under denna procedur använde vi kranialinjektioner som kan vara mycket utmanande.Vi rekommenderar omfattande träning för dem som är nya i tekniken. Börja med att ställa in systemet enligt beskrivningen i manuskriptet och utför ramkalibrering enligt manualen för operationsroboten. Navigera till den kirurgiska programvaran och skapa ett nytt projekt genom att välja börja med ett rent projekt.Ställ sedan in motivet som mus högst upp för att ange den borrkoordinatatlas som ska användas. Välj sedan starta nytt projekt och klicka på planering i det nedre vänstra hörnet för att navigera till skärmen för borrningskoordinatplanering. Skapa borrschemat för kranialfönstertekniken som ska utföras genom att klicka var som helst på den stereotaxiska atlasen.Använd bregma som referens och mata in koordinaterna för motorcortex som beskrivs i manuskriptet. Tryck på Enter på tangentbordet för att uppdatera de valda koordinaterna. Klicka på butiksmål för att spara dessa koordinater och ange ett lämpligt namn.Klicka sedan på flyttknappen längst ned till vänster för att navigera tillbaka till huvudborrskärmen. Klicka på verktyg, sedan projekt och spara som alternativ för att återanvända det här mallprojektet för senare projekt, eftersom det automatiskt behåller borrkoordinaterna. Först administrera subkutana injektioner av antibiotika, cefazolin, smärtstillande, karprofen och buprenorfin till den bedövade musen.Placera sedan musen på en värmedyna och behåll anestesi med 0,5% till 2% isofluran via inandning genom en näskon. Montera djuret på den kirurgiska robotens stereotaxiska ram med hjälp av medföljande öronstänger och bedöm rutinmässigt vitalitet och bedövningsdjup via tånyp. Skrubba sedan det kirurgiska området med klorhexidinglukonat och 70% isopropanol för sterilisering.Och placera en steril plastfolie över musen och stereotaktisk ram för att upprätthålla sterilitet under operationen. Använd ett skalpellblad, utför ett snitt på en tum på skallens mittlinje, börja på baksidan av ögonen, torka ut och rengör skallen med 3% väteperoxid med bomullsspetsade applikatorer. För att förbereda svansen för enkel injektion, torka av med alkohol.Använd tummen och pekfingret och böj svansen för att exponera svansvenen ovanpå svansens böjning. Sätt in sprutan parallellt med venen och injicera långsamt volymen Evans blå. När du har injicerat, vänta i fem minuter så att Evans blue kan cirkulera.En lyckad injektion verifieras omedelbart när musens extremiteter och kirurgiska fönster blir blå. När skallen är förberedd för borrning, navigera tillbaka till den kirurgiska programvaran och klicka på verktyg. Välj sedan projekt, följt av nytt, och välj ett mallprojekt i rullgardinsmenyn för att välja ett mallprojekt.Välj samma protokollelement. Klicka på planering, välj sedan borrparametrar som ska överföras till det nya projektet och klicka på starta nytt projekt. Korrigera sedan borren och ramen för att ta hänsyn till lutningen och skalningen av musskallen på det aktuella djuret genom att klicka på verktyg och välj rätt för lutning och skalning för att öppna korrigeringsskärmen.Högst upp på skärmen, se till att borren är aktiv genom att klicka på den ljusröda borrknappen När korrigeringen har utförts kommer du ut ur korrigeringsfönstret genom att klicka på stäng längst ned i mitten av skärmen och navigera till borrskärmen genom att klicka på verktyg och sedan välja borr för att påbörja borrningsproceduren. Bekräfta borrplatsen genom att välja fönstret för kraniotomiform högst upp på skärmen, följt av att visa information om borrmålet i listrutan nedan. För att utföra manuell pulsborrning, stäng av autostoppfunktionen genom att avmarkera kryssrutan bredvid alternativet för autostopp i borrmenyn, vilket gör det möjligt att styra när borren är avstängd för pulseringen.I borrmenyn väljer du 100 mikrometer som borrdjupets framsteg. Öppna borrplatsmenyn och navigera till den första borrplatsen. Använd förknappen eller manuella kontroller för att sänka borren tills den vidrör skallen och tryck på setytan när borrkronan når skallen.När du är klar klickar du på förväg för att påbörja borrningen. Och när borren har avancerat 100 mikrometer trycker du på Escape två gånger för att stoppa borren. Efter två sekunder, upprepa denna cykel för skallens djup.För varje frö- och kantpunkt under borrningen, se till att ställa in dura med knappen i borrmenyn när dura har nåtts. Mät temperaturförändringarna i skallen och hjärnan med hjälp av ett termoelement i kombination med de tre olika borrscheman som är anslutna till ett datainsamlingssystem, som gör att mätningen kan läsas in i MATLAB. Montera en kadavermus på den stereotaxiska ramen och robotborren.Borra manuellt ett litet hål ungefär två millimeter bort från där kranialfönstret kommer att göras i sidan av skallen, vilket gör att termoelementet kan skjutas på plats under där borrning av kranialfönstret sker. Börja borrprocessen för vart och ett av de tre systemen som visats tidigare, vilket resulterar i spikar på grund av temperaturförändring, vilket indikerar uppvärmning nära hjärnan när borren går igenom skallen. Potentialen för termiska skador utvärderades genom att mäta temperaturförändringen från baslinjen på grund av borrning med hjälp av horisontella, punkt för punkt och pulsade punkt för punkt-metoder.Både horisontella och punkt-för-punkt-borrningsscheman visar icke-signifikanta skillnader i termiska förändringar. Att byta till en pulsad punkt för punkt-metod resulterade dock i betydligt mindre uppvärmning av hjärnan än både horisontell och punkt för punktborrning. Den horisontella eggborrningen tog 300 sekunder, medan punkt-för-punkt-kantborrning tog 200 sekunder.Pulsmetoden tog längst tid med frö- och kantborrning och tog cirka 500 sekunder vardera. För att övervaka förhållandet mellan borrschemat och vaskulär skada utfördes Evans blå fluorescerande avbildning. Borrningen via horisontell och punkt-för-punkt-skärning visade sig vara skadlig för kärlen i hjärnan.I jämförelse med kontrollgrupperna hade den pulsade punkt för punkt-metoden mindre lokal skada vid frö- och kantpunkten, men hade fortfarande synlig Evans blå närvaro i kranialfönstret. Vid manuell borrning är det viktigt att kontrollera kraniotomin efter att borren har gått framåt för att säkerställa att dura inte bryts. Förutom kranialfönster kan en kirurgisk robot användas för vanliga kraniotomier för att förbättra kirurgiska resultat.

Research

JoVE Journal

Neuroscience

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

Intravital Mikroskopi av Mouse Brain Mikrocirkulationen hjälp av ett slutet Kraniell fönster

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

Bedömning av morfin-inducerad hyperalgesi och smärtstillande tolerans hos möss Använda Termiska och mekaniska Nociceptiva Modalities

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 fönster Framställning Aktiverar<em&gt; In Vivo</em&gt; Observation Efter Distal Middle Cerebral artärocklusion hos möss

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

Bedömning av hippocampal dendritisk komplexitet hos åldrade möss med användning 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 hög noggrannhet kirurgiska Osteal borttagning (PHASOR): En teknik för förbättrat kraniala fönster kirurgi hos möss

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

Craniotomy Procedure for Visualizing Neuronal Activities in Hippocampus of Behaving Mice

Craniotomy förfarande för visualisering neuronal verksamhet i Hippocampus av beter sig möss

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

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

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

Implantation av ett kranialfönster för upprepad in vivo-avbildning hos vakna möss

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

Bedömning av sensoriska trösklar hos hundar med hjälp av mekanisk och varm termisk kvantitativ sensorisk testning

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

Dosjusterad styrketräning hos möss med minskad risk för muskelskador

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 Bredfälts- och tvåfotonkalciumavbildning från en mus med ett stort kranialfönster

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 ...