نود أن نشكر توني هون وكيث فوغل وشون فيشر على مساعدتهم الفنية ودعمهم. تم دعم هذا العمل من قبل مؤسسة ماري جيتس بجامعة واشنطن (RI) ، والمعهد الوطني للصحة NIH 5R01NS116464 (T.B. ، A.Y.) ، NIH R01 NS119395 (D.J.G. ، A.Y) ، مركز واشنطن الوطني لأبحاث الرئيسيات (WaNPRC ، NIH P51 OD010425 ، U42 OD011123) ، مركز التكنولوجيا العصبية (EEC-1028725 ، Z.A. ، D.J.G.) و Weill Neurohub (Z. I.).

تمت الموافقة على جميع الإجراءات المتعلقة بالحيوانات من قبل معهد رعاية ولجنة استخدامه في جامعة واشنطن. تم استخدام ما مجموعه أربعة ذكور من المكاك الريسوس البالغة (Macaca mulatta) في هذه الدراسة. في وقت الحصول على التصوير بالرنين المغناطيسي ، كان H يبلغ من العمر 7 سنوات ، وكان L يبلغ من العمر 6 سن?...

النمذجة الآلية 3D الدماغ والجمجمة من التصوير بالرنين المغناطيسي لتخطيط جراحة الأعصاب NHP

<ol>
	<li>Mitchell, A. 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=Continued+need+for+nonhuman+primate+neuroscience+research.">Continued need for nonhuman primate neuroscience research.</a> Current Biology. 28 (20), R1186-R1187 (2018).</li><li>Stanis, N., Khateeb, K., Zhou, J., Wang, R. K., Yazdan-Shahmorad, A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Protocol+to+study+ischemic+stroke+by+photothrombotic+lesioning+in+the+cortex+of+nonhuman+primates.">Protocol to study ischemic stroke by photothrombotic lesioning in the cortex of nonhuman primates.</a> STAR Protocols. 4 (3), 102496 (2023).</li><li>Tremblay, 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=An+open+resource+for+nonhuman+primate+optogenetics.">An open resource for nonhuman primate optogenetics.</a> Neuron. 108 (6), 1075-1090 (2020).</li><li>Zhou, 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=Neuroprotective+effects+of+electrical+stimulation+following+ischemic+stroke+in+nonhuman+primates.">Neuroprotective effects of electrical stimulation following ischemic stroke in nonhuman primates.</a> 2022 44th Annual International Conference of the IEEE Engineering in Medicine &amp; Biology Society (EMBC). 2022, 3085-3088 (2022).</li><li>Yao, Z., Yazdan-Shahmorad, A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=A+quantitative+model+for+estimating+the+scale+of+photochemically+induced+ischemic+stroke.">A quantitative model for estimating the scale of photochemically induced ischemic stroke.</a> 2018 40th Annual International Conference of the IEEE Engineering in Medicine and Biology Society (EMBC). 2018, 2744-2747 (2018).</li><li>Yazdan-Shahmorad, A., Silversmith, D. B., Kharazia, V., Sabes, P. N. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Targeted+cortical+reorganization+using+optogenetics+in+nonhuman+primates.">Targeted cortical reorganization using optogenetics in nonhuman primates.</a> eLife. 7, e31034 (2018).</li><li>Macknik, S. 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=Advanced+circuit+and+cellular+imaging+methods+in+nonhuman+primates.">Advanced circuit and cellular imaging methods in nonhuman primates.</a> The Journal of Neuroscience. 39 (42), 8267-8274 (2019).</li><li>Griggs, D. J., Belloir, T., Yazdan-Shahmorad, A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Large-scale+neural+interfaces+for+optogenetic+actuators+and+sensors+in+non-human+primates.">Large-scale neural interfaces for optogenetic actuators and sensors in non-human primates.</a> SPIE BiOS. , (2021).</li><li>Yazdan-Shahmorad, 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=A+Large-scale+interface+for+optogenetic+stimulation+and+recording+in+nonhuman+primates.">A Large-scale interface for optogenetic stimulation and recording in nonhuman primates.</a> Neuron. 89 (5), 927-939 (2016).</li><li>Ruiz, O., 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=Optogenetics+through+windows+on+the+brain+in+the+nonhuman+primate.">Optogenetics through windows on the brain in the nonhuman primate.</a> Journal of Neurophysiology. 110 (6), 1455-1467 (2013).</li><li>Griggs, D. J., Khateeb, K., Philips, S., Chan, J. W., Ojemann, W., Yazdan-Shahmorad, A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Optimized+large-scale+optogenetic+interface+for+nonhuman+primates.">Optimized large-scale optogenetic interface for nonhuman primates.</a> SPIE BiOS. , (2019).</li><li>Yazdan-Shahmorad, A., Diaz-Botia, C., Hanson, T., Ledochowitsch, P., Maharabiz, M. M., Sabes, P. N. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Demonstration+of+a+setup+for+chronic+optogenetic+stimulation+and+recording+across+cortical+areas+in+non-human+primates.">Demonstration of a setup for chronic optogenetic stimulation and recording across cortical areas in non-human primates.</a> SPIE BiOS. , (2015).</li><li>Bollimunta, 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=Head-mounted+microendoscopic+calcium+imaging+in+dorsal+premotor+cortex+of+behaving+rhesus+macaque.">Head-mounted microendoscopic calcium imaging in dorsal premotor cortex of behaving rhesus macaque.</a> Cell Reports. 35 (11), 109239 (2021).</li><li>Hacking, S. 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=Surface+roughness+enhances+the+osseointegration+of+titanium+headposts+in+nonhuman+primates.">Surface roughness enhances the osseointegration of titanium headposts in nonhuman primates.</a> Journal of Neuroscience Methods. 211 (2), 237-244 (2012).</li><li>Romero, M. C., Davare, M., Armendariz, M., Janssen, P. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Neural+effects+of+transcranial+magnetic+stimulation+at+the+single-cell+level.">Neural effects of transcranial magnetic stimulation at the single-cell level.</a> Nature Communications. 10 (1), 2642 (2019).</li><li>Khateeb, 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=A+versatile+toolbox+for+studying+cortical+physiology+in+primates.">A versatile toolbox for studying cortical physiology in primates.</a> Cell Reports Methods. 2 (3), 100183 (2022).</li><li>Griggs, D. J., Khateeb, K., Zhou, J., Liu, T., Wang, R., Yazdan-Shahmorad, A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Multi-modal+artificial+dura+for+simultaneous+large-scale+optical+access+and+large-scale+electrophysiology+in+nonhuman+primate+cortex.">Multi-modal artificial dura for simultaneous large-scale optical access and large-scale electrophysiology in nonhuman primate cortex.</a> Journal of Neural Engineering. 18 (5), 055006 (2021).</li><li>Belloir, 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=Large-scale+multimodal+surface+neural+interfaces+for+primates.">Large-scale multimodal surface neural interfaces for primates.</a> iScience. 26 (1), 105866 (2023).</li><li>Khateeb, 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=A+practical+method+for+creating+targeted+focal+ischemic+stroke+in+the+cortex+of+nonhuman+primates.">A practical method for creating targeted focal ischemic stroke in the cortex of nonhuman primates.</a> 2019 41st Annual International Conference of the IEEE Engineering in Medicine and Biology Society (EMBC). , 3515-3518 (2019).</li><li>Griggs, D., Belloir, T., Zhou, J., Yazdan-Shahmorad, A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Convection+Enhanced+Delivery+of+Viral+Vectors.">Convection Enhanced Delivery of Viral Vectors.</a> Vectorology for Optogenetics and Chemogenetics. , (2023).</li><li>Khateeb, K., Griggs, D. J., Sabes, P. N., Yazdan-Shahmorad, A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Convection+enhanced+delivery+of+optogenetic+adeno-associated+viral+vector+to+the+cortex+of+Rhesus+Macaque+under+guidance+of+online+MRI+images.">Convection enhanced delivery of optogenetic adeno-associated viral vector to the cortex of Rhesus Macaque under guidance of online MRI images.</a> Journal of Visualized Experiments. (147), e59232 (2019).</li><li>Yazdan-Shahmorad, 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=Widespread+optogenetic+expression+in+macaque+cortex+obtained+with+MR-guided,+convection+enhanced+delivery+(CED)+of+AAV+vector+to+the+thalamus.">Widespread optogenetic expression in macaque cortex obtained with MR-guided, convection enhanced delivery (CED) of AAV vector to the thalamus.</a> Journal of Neuroscience Methods. 293, 347-358 (2018).</li><li>Griggs, D. 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=Improving+the+efficacy+and+accessibility+of+intracranial+viral+vector+delivery+in+nonhuman+primates.">Improving the efficacy and accessibility of intracranial viral vector delivery in nonhuman primates.</a> Pharmaceutics. 14 (7), 1435 (2022).</li><li>Chen, L. M., Heider, B., Williams, G. V., Healy, F. L., Ramsden, B. M., Roe, A. W. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=A+chamber+and+artificial+dura+method+for+long-term+optical+imaging+in+the+monkey.">A chamber and artificial dura method for long-term optical imaging in the monkey.</a> Journal of Neuroscience Methods. 113 (1), 41-49 (2002).</li><li>Adams, D. L., Economides, J. R., Jocson, C. M., Horton, J. 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+Biocompatible+titanium+headpost+for+stabilizing+behaving+monkeys.">A Biocompatible titanium headpost for stabilizing behaving monkeys.</a> Journal of Neurophysiology. 98 (2), 993-1001 (2007).</li><li>Bloch, J., Greaves-Tunnell, A., Shea-Brown, E., Harchaoui, Z., Shojaie, A., Yazdan-Shahmorad, A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Network+structure+mediates+functional+reorganization+induced+by+optogenetic+stimulation+of+nonhuman+primate+sensorimotor+cortex.">Network structure mediates functional reorganization induced by optogenetic stimulation of nonhuman primate sensorimotor cortex.</a> iScience. 25 (5), 104285 (2022).</li><li>Bloch, J. A., Khateeb, K., Silversmith, D. B., O'Doherty, J. E., Sabes, P. N., Yazdan-Shahmorad, A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Cortical+stimulation+induces+network-wide+coherence+change+in+nonhuman+primate+somatosensory+cortex.">Cortical stimulation induces network-wide coherence change in nonhuman primate somatosensory cortex.</a> 2019 41st Annual International Conference of the IEEE Engineering in Medicine and Biology Society (EMBC). , 6446-6449 (2019).</li><li>Vnek, N., Ramsden, B. M., Hung, C. P., Goldman-Rakic, P. S., Roe, A. W. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Optical+imaging+of+functional+domains+in+the+cortex+of+the+awake+and+behaving+monkey.">Optical imaging of functional domains in the cortex of the awake and behaving monkey.</a> Proceedings of the National Academy of Sciences. 96 (7), 4057-4060 (1999).</li><li>Psarou, E., 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=Modular,+cement-free,+customized+headpost+and+connector-chamber+implants+for+macaques.">Modular, cement-free, customized headpost and connector-chamber implants for macaques.</a> Journal of Neuroscience Methods. 393, 109899 (2023).</li><li>Chen, X., Possel, J. K., Wacongne, C., van Ham, A. F., Klink, P. C., Roelfsema, P. R. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=3D+printing+and+modelling+of+customized+implants+and+surgical+guides+for+nonhuman+primates.">3D printing and modelling of customized implants and surgical guides for nonhuman primates.</a> Journal of Neuroscience Methods. 286, 38-55 (2017).</li><li>Prescott, M. J., Poirier, C. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=The+role+of+MRI+in+applying+the+3Rs+to+nonhuman+primate+neuroscience.">The role of MRI in applying the 3Rs to nonhuman primate neuroscience.</a> NeuroImage. 225, 117521 (2021).</li><li>Basso, M. 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=Using+non-invasive+neuroimaging+to+enhance+the+care,+well-being+and+experimental+outcomes+of+laboratory+nonhuman+primates+(monkeys).">Using non-invasive neuroimaging to enhance the care, well-being and experimental outcomes of laboratory nonhuman primates (monkeys).</a> NeuroImage. 228, 117667 (2021).</li><li>Ahmed, Z., Agha, N., Trunk, A., Berger, M., Gail, A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Universal+guide+for+skull+extraction+and+custom-fitting+of+implants+to+continuous+and+discontinuous+skulls.">Universal guide for skull extraction and custom-fitting of implants to continuous and discontinuous skulls.</a> eNeuro. 9 (3), (2022).</li><li>Blonde, J. D., 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=Customizable+cap+implants+for+neurophysiological+experimentation.">Customizable cap implants for neurophysiological experimentation.</a> Journal of Neuroscience Methods. 304, 103-117 (2018).</li><li>Ojemann, W. K. 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=A+MRI-based+toolbox+for+neurosurgical+planning+in+nonhuman+primates.">A MRI-based toolbox for neurosurgical planning in nonhuman primates.</a> Journal of Visualized Experiments. (161), e61098 (2020).</li><li>Make STL of 3D array (Optimal for 3D printing). MathWorks Available from: <a target="_blank" href="https://www.mathworks.com/matlabcentral/fileexchange/68794-make-stl-of-3d-array-optimal-for-3d-printing">https://www.mathworks.com/matlabcentral/fileexchange/68794-make-stl-of-3d-array-optimal-for-3d-printing</a> (2018)</li><li>. stlwrite - Write binary or ascii STL file Available from: <a target="_blank" href="https://www.mathworks.com/matlabcentral/fileexchange/36770-stlwrite-write-binary-or-ascii-stl-file">https://www.mathworks.com/matlabcentral/fileexchange/36770-stlwrite-write-binary-or-ascii-stl-file</a> (2023)</li><li>Michikawa, T., Suzuki, H., Moriguchi, M., Ogihara, N., Kondo, O., Kobayashi, Y. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Automatic+extraction+of+endocranial+surfaces+from+CT+images+of+crania.">Automatic extraction of endocranial surfaces from CT images of crania.</a> PLoS One. 12 (4), 0168516 (2017).</li><li>Overton, J. A., Cooke, D. F., Goldring, A. B., Lucero, S. A., Weatherford, C., Recanzone, G. H. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Improved+methods+for+acrylic-free+implants+in+nonhuman+primates+for+neuroscience+research.">Improved methods for acrylic-free implants in nonhuman primates for neuroscience research.</a> Journal of Neurophysiology. 118 (6), 3252-3270 (2017).</li><li>Ortiz-Rios, 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=Improved+methods+for+MRI-compatible+implants+in+nonhuman+primates.">Improved methods for MRI-compatible implants in nonhuman primates.</a> Journal of Neuroscience Methods. 308, 377-389 (2018).</li></ol>

لا شيء للكشف عنه.

تحدد هذه الورقة طريقة مباشرة ودقيقة لتخطيط جراحة الأعصاب التي لا تفيد فقط لتطوير المكونات المستخدمة في زرع نافذة الجمجمة NHP ولكن أيضا قابلة للتحويل إلى مجالات أخرى من أبحاث علم الأعصاب NHP13،15،25. بالمقارنة مع الطرق الحالية الأخرى لتخطيط وت...

الرئيسيات غير البشرية (NHPs) هي نماذج لا تقدر بثمن للبحث الطبي الانتقالي لأنها تشبه البشر تطوريا وسلوكيا. اكتسبت NHPs أهمية خاصة في الدراسات قبل السريرية للهندسة العصبية لأن أدمغتهم هي نماذج ذات صلة كبيرة بالوظيفة العصبية والخلل الوظيفي1,2,3,4,5,6,7,8. من الأفضل تقديم بعض تقنيات تحفيز الدماغ وتسجيله القوية ، مثل علم البصريات الوراثي وتصوير الكالسيوم وغيرها ، من خلال الوصول المباشر إلى الدماغ من خلال نوافذ الجمجمة9,10,11,12,13,14,15,16,17,18,19,20,21,22,23. في NHPs ، غالبا ما يتم تحقيق نوافذ الجمجمة بغرفة وجافية اصطناعية لحماية الدماغ ودعم التجارب طويلة المدى8,10,12,17,18,24,25,26,27. وبالمثل ، غالبا ما تصاحب أعمدة الرأس الغرف لتثبيت ومحاذاة الرأس أثناء التجارب14,15,25,26,28,29,30. تعتمد فعالية هذه المكونات بشكل كبير على مدى ملاءمتها للجمجمة. يعزز الملاءمة الأقرب إلى الجمجمة تكامل العظام وصحة الجمجمة عن طريق تقليل احتمالية الإصابة بالعدوى ونخر العظم وعدم استقرار الزرع31. طرق التصميم التقليدية، مثل ثني عمود الرأس يدويا أثناء الجراحة25,29 وتقدير انحناء الجمجمة عن طريق تركيب دوائر على الشرائح الإكليلية والسهمية لفحوصات الرنين المغناطيسي (MR)9,12 يمكن أن يؤدي إلى مضاعفات بسبب عدم الدقة. حتى أكثرها دقة تخلق فجوات 1-2 مم بين الغرسة والجمجمة ، مما يوفر مساحة لتراكم الأنسجة الحبيبية29. بالإضافة إلى ذلك ، تؤدي هذه الفجوات إلى صعوبة وضع البراغي في الجراحة9، مما يعرض استقرار الغرسة للخطر. تم تطوير غرسات مخصصة مؤخرا لتحسين الاندماج العظمي وطول عمر الغرسة9,29,30,32. رافقت التكاليف الإضافية التقدم في تصميم الغرسات المخصصة بسبب الاعتماد على النماذج الحسابية. تتطلب الطرق الأكثر دقة معدات متطورة مثل أجهزة التصوير المقطعي المحوسب (CT) بالإضافة إلى أجهزة التصوير بالرنين المغناطيسي (MRI)30,32,33 وحتى آلات طحن التحكم العددي بالكمبيوتر (CNC) لتطوير نماذج أولية للزرع25,29,32,34. قد لا يكون الوصول إلى كل من التصوير بالرنين المغناطيسي والتصوير المقطعي المحوسب ، خاصة للاستخدام مع NHPs ، ممكنا للمختبرات التي تحتاج إلى غرسات مخصصة مثل غرف الجمجمة وأعمدة الرأس.
نتيجة لذلك ، هناك حاجة في المجتمع لتقنيات غير مكلفة ودقيقة وغير جراحية لجراحة الأعصاب والتخطيط التجريبي التي تسهل تصميم الغرسات والتحقق من صحتها قبل الاستخدام. تصف هذه الورقة طريقة لتوليد تمثيلات افتراضية للدماغ والجمجمة 3D من بيانات التصوير بالرنين المغناطيسي لتخطيط موقع حج القحف وتصميم غرف الجمجمة المخصصة وأغطية الرأس التي تناسب الجمجمة. يوفر هذا الإجراء المبسط تصميما موحدا يمكن أن يفيد النتائج التجريبية ورفاهية البحث. مطلوب فقط التصوير بالرنين المغناطيسي لهذه النمذجة لأن كل من العظام والأنسجة الرخوة مصورة في التصوير بالرنين المغناطيسي. بدلا من استخدام آلة طحن CNC ، يمكن طباعة النماذج 3D بتكلفة زهيدة ، حتى عند الحاجة إلى تكرارات متعددة. وهذا يسمح أيضا للتصميم النهائي أن تكون 3D المطبوعة في المعادن المتوافقة حيويا مثل التيتانيوم للزرع. بالإضافة إلى ذلك ، وصفنا تصنيع الجافية الاصطناعية ، والتي يتم وضعها داخل غرفة الجمجمة عند الزرع. يمكن التحقق من صحة هذه المكونات قبل الجراحة عن طريق تركيب جميع الأجزاء على نموذج مطبوع بالحجم الطبيعي 3D للجمجمة والدماغ.

<table border="1" fo:keep-together.within-page="1" fo:keep-with-next.within-page="always">
	<tbody>
		<tr>
			<td>3D Printing Software (Simplify 3D) (Paid)</td>
			<td>Simplify3D</td>
			<td>Version 4.1</td>
			<td>Used for 3D printing using MakerGear printer</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>C-Clamp</td>
			<td>Bessey</td>
			<td>CM22</td>
			<td>Used for artificial dura fabrication, 2-1/2 Inch Capacity, 1-3/8 Inch Throat</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Formlabs Form 3+ 3D Printer</td>
			<td>Formlabs</td>
			<td>Form 3+</td>
			<td>Used for precise 3D printing</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>MakerGear M2 3D Printer</td>
			<td>MakerGear</td>
			<td>M2 revG</td>
			<td>Used for 3D printing implant prototypes</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>MATLAB (Paid)</td>
			<td>MathWorks</td>
			<td>R2021b</td>
			<td>Used for brain and skull isolation, virtual craniotomy visualization and skull STL reduction</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Phillips Acheiva MRI System</td>
			<td>Philips</td>
			<td>4522 991 19391</td>
			<td>Used for non-human primate imaging</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Photopolymer Resin</td>
			<td>Formlabs</td>
			<td>FLGPGR04</td>
			<td>1L, Grey, used for precise 3D prints with Formlabs printer&#160;</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>PreForm Print Preparation Software</td>
			<td>Formlabs</td>
			<td>Version 2.17.0</td>
			<td>Used for 3D printing with Formlabs printer&#160;</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Printing Filament (PLA)</td>
			<td>MatterHackers</td>
			<td>88331</td>
			<td>PLA 1.75 mm White. Used for 3D printing with MakerGear printer</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Silicone CAT-1300</td>
			<td>Shin-Etsu</td>
			<td></td>
			<td>Used for artificial dura fabrication</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Silicone KE1300-T</td>
			<td>Shin-Etsu</td>
			<td></td>
			<td>Used for artificial dura fabrication</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>SolidWorks (Paid)</td>
			<td>Dassault Systems</td>
			<td>2020</td>
			<td>Used for chamber and headpost design</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Syn.Flex-S Multicoil</td>
			<td>Philips</td>
			<td>45221318123</td>
			<td>Used for non-human primate imaging</td>
		</tr>
	</tbody>
</table>

a neural implant design toolbox for nonhuman primates

تصف هذه الورقة طريقة داخلية لنمذجة الدماغ والجمجمة 3D من التصوير بالرنين المغناطيسي (MRI) المصممة خصيصا لتخطيط جراحة الأعصاب غير البشرية (NHP). توفر هذه التقنية الآلية القائمة على البرامج الحسابية طريقة فعالة لاستخراج ميزات الدماغ والجمجمة من ملفات التصوير بالرنين المغناطيسي بدلا من تقنيات الاستخراج اليدوي التقليدية باستخدام برامج التصوير. علاوة على ذلك ، يوفر الإجراء طريقة لتصور الدماغ والجمجمة القحفية معا من أجل التخطيط الجراحي الافتراضي البديهي. وهذا يولد انخفاضا كبيرا في الوقت والموارد من تلك التي يتطلبها العمل السابق ، والتي اعتمدت على الطباعة 3D التكرارية. تخلق عملية نمذجة الجمجمة بصمة يتم تصديرها إلى برنامج النمذجة لتصميم غرف الجمجمة وأغطية الرأس المناسبة للزرع الجراحي. تعمل الغرسات الجراحية المخصصة على تقليل الفجوات بين الغرسة والجمجمة التي يمكن أن تسبب مضاعفات ، بما في ذلك العدوى أو انخفاض الاستقرار. من خلال تنفيذ هذه الخطوات قبل الجراحة ، يتم تقليل المضاعفات الجراحية والتجريبية. يمكن تكييف هذه التقنيات للعمليات الجراحية الأخرى ، مما يسهل التخطيط التجريبي الأكثر كفاءة وفعالية للباحثين ، وربما جراحي الأعصاب.

Nonhuman primates (NHPs) are invaluable models for translational medical research because they are evolutionarily and behaviorally similar to humans. NHPs have gained particular importance in neural engineering preclinical studies because their brains are highly relevant models of neural function and dysfunction1,2,3,4,5,6,7,8. Some powerful brain stimulation and recording techniques, such as optogenetics, calcium imaging, and others, are best served with direct access to the brain through cranial windows9,10,11,12,13,14,15,16,17,18,19,20,21,22,23. In NHPs, cranial windows are often achieved with a chamber and an artificial dura to protect the brain and support long-term experimentation8,10,12,17,18,24,25,26,27. Likewise, headposts often accompany chambers to stabilize and align the head during experiments14,15,25,26,28,29,30. The effectiveness of these components is heavily dependent on how well they fit into the skull. A closer fit to the skull promotes bone integration and cranial health by decreasing the likelihood of infection, osteonecrosis, and implant instability31. Conventional design methods, such as manually bending the headpost during surgery25,29 and estimating the skull curvature by fitting circles to coronal and sagittal slices of magnetic resonance (MR) scans9,12 can introduce complications due to imprecision. Even the most precise of these create 1-2 mm gaps between the implant and the skull, providing space for granulation tissue to accumulate29. These gaps additionally introduce difficulty placing screws in surgery9, compromising the stability of the implant. Customized implants have more recently been developed to improve osseointegration and implant longevity9,29,30,32. Additional costs have accompanied advancements in custom implant design because of the reliance on computational models. The most accurate methods require sophisticated equipment such as computerized tomography (CT) machines in addition to MR Imaging (MRI) machines30,32,33 and&#160;even computer numerical control (CNC) milling machines for developing implant prototypes25,29,32,34. Gaining access to both MRI and CT, particularly for use with NHPs, may not be feasible for labs in need of custom-fitted implants like cranial chambers and headposts.
As a result, there is a need in the community for inexpensive, accurate, and non-invasive techniques of neurosurgical and experimental planning that facilitate the design and validation of implants prior to use. This paper describes a method of generating virtual 3D brain and skull representations from MR data for craniotomy location planning and the design of custom cranial chambers and headposts that fit the skull. This streamlined procedure provides a standardized design that can benefit experimental outcomes and the welfare of the research animals. Only MRI is required for this modeling because both bone and soft tissue are depicted in MRI. Instead of using a CNC milling machine, models can be 3D printed inexpensively, even when multiple iterations are required. This also allows for the final design to be 3D printed in biocompatible metals such as titanium for implantation. Additionally, we describe the fabrication of an artificial dura, which is placed inside the cranial chamber upon implantation. These components can be validated pre-surgically by fitting all parts onto a life-size, 3D-printed model of the skull and brain.

تسليط الضوء على المؤلف: نمذجة الدماغ والجمجمة المبسطة لتعزيز التخطيط الجراحي العصبي في أبحاث NHP

صندوق أدوات تصميم الغرسة العصبية للرئيسيات غير البشرية

Our research offers an efficient and automated method for brain and skull modeling, which is beneficial for neurosurgical planning and designing custom implants. It facilitates a simultaneous extraction of brain and skull models using a single software platform, which eliminates a requirement for extra imaging processes like commuted tomography scans. Virtual brain and skull modeling for medical imaging such as MRI or CT scans has been increasingly adopted for NHP neurosurgical planning in recent years.These models, used alongside 3D design software and 3D printing, enable the creation of customized implants tailored to specific experiments and animals. Many non-human primate neuroscience experiments require the use of chronic cranial chambers and head posts. The use of generic implants introduces gaps between the implant and the skull, which can result in higher rates of infection, osteonecrosis, and implant instability, therefore compromising experiments and the wellbeing of the animal.Our custom implants reduce gaps and subsequent issues. Our protocol provides researchers with a more accurate and time-effective neurosurgical planning procedure. It increases surgical planning efficacy, and reduces complications associated with NHP neuroscience experiments, thus improving scientific results overall.

تم التحقق من صحة هذه المكونات مسبقا باستخدام مزيج من تصورات التصوير بالرنين المغناطيسي والنماذج التشريحية المطبوعة 3D. من خلال مقارنة تصور حج القحف الآلي بحج القحف المطبوع 3D والتصوير بالرنين المغناطيسي في موقع حج القحف ، من الواضح أن تمثيل حج القحف الافتراضي يعكس بدقة من...

Watch this Scientific Journal Video about Streamlined Brain and Skull Modeling for Enhanced Neurosurgical Planning in NHP Research at JoVE.com

توضح هذه الورقة العمليات الآلية لتخطيط جراحة الأعصاب غير البشرية للرئيسيات بناء على التصوير بالرنين المغناطيسي (MRI). تستخدم هذه التقنيات خطوات إجرائية في منصات البرمجة والتصميم لدعم تصميم الزرع المخصص ل NHPs. يمكن بعد ذلك تأكيد صحة كل مكون باستخدام نماذج تشريحية ثلاثية الأبعاد (3D) مطبوعة بالحجم الطبيعي.

This paper describes an in-house method of 3D brain and skull modeling from magnetic resonance imaging (MRI) tailored for nonhuman primate (NHP) ...

يقدم بحثنا طريقة فعالة وآلية لنمذجة الدماغ والجمجمة ، وهو أمر مفيد لتخطيط جراحة الأعصاب وتصميم الغرسات المخصصة. إنه يسهل الاستخراج المتزامن لنماذج الدماغ والجمجمة باستخدام منصة برمجية واحدة ، مما يلغي الحاجة إلى عمليات تصوير إضافية مثل التصوير المقطعي البديل. تم اعتماد نمذجة الدماغ والجمجمة الافتراضية للتصوير الطبي مثل التصوير بالرنين المغناطيسي أو الأشعة المقطعية بشكل متزايد لتخطيط جراحة الأعصاب NHP في السنوات الأخيرة.تتيح هذه النماذج ، المستخدمة جنبا إلى جنب مع برامج التصميم ثلاثية الأبعاد والطباعة ثلاثية الأبعاد ، إنشاء غرسات مخصصة مصممة خصيصا لتجارب محددة. تتطلب العديد من تجارب علم الأعصاب للرئيسيات غير البشرية استخدام غرف الجمجمة المزمنة وأعمدة الرأس. يؤدي استخدام الغرسات العامة إلى حدوث فجوات بين الغرسة والجمجمة ، مما قد يؤدي إلى ارتفاع معدلات الإصابة ونخر العظم وعدم استقرار الزرع ، وبالتالي تعريض التجارب ورفاهية للخطر.تعمل غرساتنا المخصصة على تقليل الفجوات والمشكلات اللاحقة. يوفر بروتوكولنا للباحثين إجراء تخطيط لجراحة الأعصاب أكثر دقة وفعالية من حيث الوقت. يزيد من فعالية التخطيط الجراحي ، ويقلل من المضاعفات المرتبطة بتجارب علم الأعصاب NHP ، وبالتالي تحسين النتائج العلمية بشكل عام.

a-neural-implant-design-toolbox-for-nonhuman-primates

Research

JoVE Journal

Bioengineering

A Neural Implant Design Toolbox for Nonhuman Primates

792 Views.  University of Washington. Our research offers an efficient and automated method for brain and skull modeling, which is beneficial for neurosurgical planning and designing custom implants. It facilitates a simultaneous extraction of brain and skull models using a single software platform, which eliminates a requirement for extra imaging processes like commuted tomography scans. Virtual brain and skull modeling for medical imaging such as MRI or CT scans has been increasingly adopted for NHP neurosurgical planning in re...