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Bioengineering

Die Muskelmanschette Regenerative periphere Nervenschnittstelle zur Verstärkung intakter peripherer Nervensignale

Published: January 13, 2022 doi: 10.3791/63222
Automatic Translation
1, 1, 1, 1, 1,2, 1,2
1Department of Surgery, Section of Plastic Surgery, The University of Michigan Health System, 2Department of Biomedical Engineering, The University of Michigan, Ann Arbor

Summary

Dieses Manuskript bietet eine innovative Methode zur Entwicklung einer biologischen peripheren Nervenschnittstelle, die als Muscle Cuff Regenerative Peripheral Nerve Interface (MC-RPNI) bezeichnet wird. Dieses chirurgische Konstrukt kann die motorischen efferenten Signale des zugehörigen peripheren Nervs verstärken, um eine genaue Erkennung der motorischen Absicht und die potenzielle Kontrolle von Exoskelettgeräten zu ermöglichen.

Abstract

Roboter-Exoskelette haben in jüngster Zeit im Bereich der rehabilitativen Medizin Anerkennung als vielversprechende Modalität für die funktionelle Wiederherstellung von Personen mit Extremitätenschwäche erlangt. Ihre Verwendung bleibt jedoch weitgehend auf Forschungseinrichtungen beschränkt und dient häufig als statische Extremitätenunterstützung, da motorische Detektionsmethoden unzuverlässig bleiben. Periphere Nervenschnittstellen haben sich als mögliche Lösung für diesen Mangel herausgebildet; Aufgrund ihrer inhärent kleinen Amplituden können diese Signale jedoch schwer von Hintergrundgeräuschen zu unterscheiden sein, was ihre Gesamtmotorerkennungsgenauigkeit verringert. Da aktuelle Grenzflächen auf abiotischen Materialien beruhen, kann der inhärente Materialabbau im Laufe der Zeit neben der Reaktion von Fremdkörpergewebe auftreten, was ihre Genauigkeit weiter beeinträchtigt. Die Muscle Cuff Regenerative Peripheral Nerve Interface (MC-RPNI) wurde entwickelt, um diese festgestellten Komplikationen zu überwinden. Bestehend aus einem Segment des freien Muskeltransplantats, das umlaufend an einem intakten peripheren Nerv befestigt ist, regeneriert sich das Konstrukt und wird im Laufe der Zeit vom enthaltenen Nerv renerviert. Bei Ratten hat dieses Konstrukt die Fähigkeit gezeigt, die motorischen efferenten Aktionspotentiale eines peripheren Nervs durch die Erzeugung von zusammengesetzten Muskelaktionspotentialen (CMAPs) bis zum 100-fachen des Normalwerts zu verstärken. Diese Signalverstärkung ermöglicht eine hochgenaue Erkennung der motorischen Absicht und ermöglicht möglicherweise eine zuverlässige Nutzung von Exoskelett-Geräten.

Introduction

Allein in den Vereinigten Staaten sind etwa 130 Millionen Menschen von neuromuskulären und muskuloskelettalen Erkrankungen betroffen, was zu jährlichen wirtschaftlichen Auswirkungen von über 800 Milliarden US-Dollar führt 1,2. Diese Gruppe von Störungen ist typischerweise sekundär zur Pathologie innerhalb des Nervensystems, an der neuromuskulären Verbindung oder im Muskel selbst3. Trotz der Vielfalt der pathologischen Ursprünge teilt die Mehrheit ein gewisses Maß an Extremitätenschwäche 1,3. Leider ist diese Schwäche oft dauerhaft angesichts der Einschränkungen bei der Regeneration von Nerven- und Muskelgewebe, insbesondere im Rahmen eines schweren Traumas 4,5,6.

Algorithmen zur Behandlung von Extremitätenschwächen haben sich klassischerweise auf rehabilitative und unterstützende Maßnahmen konzentriert und stützen sich oft auf die Nutzung der Fähigkeiten der verbleibenden intakten Gliedmaßen (Stöcke, Rollstühle usw.). 7. Diese Strategie greift jedoch für diejenigen zu kurz, deren Schwäche nicht auf ein einzelnes Extrem beschränkt ist. Mit den jüngsten Innovationen in Robotertechnologien wurden fortschrittliche Exoskelett-Geräte entwickelt, die die Funktionalität der Extremitäten für Menschen mit Extremitätenschwächewiederherstellen 8,9,10,11,12,13. Diese Roboter-Exoskelette sind oft angetriebene, tragbare Geräte, die bei der Einleitung und Beendigung von Bewegungen oder der Aufrechterhaltung der Gliedmaßenposition helfen können und eine unterschiedliche Kraft bieten, die individuell auf den Benutzer zugeschnitten werden kann 8,9,10,11,12,13 . Diese Geräte werden entweder als passiv oder aktiv klassifiziert, je nachdem, wie sie den Benutzer motorisch unterstützen: Aktive Geräte enthalten elektrische Aktuatoren, die die Leistung des Benutzers erhöhen, während passive Geräte Energie aus den Bewegungen des Benutzers speichern, um sie bei Bedarf an den Benutzer wieder freizugeben14. Da aktive Geräte die Fähigkeit haben, die Leistungsfähigkeit eines Benutzers zu erhöhen, werden diese Geräte viel häufiger bei Extremitätenschwäche eingesetzt[14].

Um die motorische Absicht in dieser Population zu bestimmen, verlassen sich moderne Exoskelette häufig auf Mustererkennungsalgorithmen, die entweder aus der Elektromyographie (EMG) der distalen Extremitätenmuskulatur 8,15,16,17 oder der Oberflächenelektroenzephalographie (sEEG) des Gehirns generiert werden18,19,20 . Trotz des Versprechens dieser Erkennungsmodalitäten haben beide Optionen erhebliche Einschränkungen, die eine breite Verwendung dieser Geräte ausschließen. Da das sEEG Signale im Mikrovolt-Bereich transkranial detektiert18,19,20, konzentriert sich die Kritik häufig auf die Unfähigkeit, diese Signale vom Hintergrundrauschen 21 zu unterscheiden. Wenn das Hintergrundrauschen dem gewünschten Aufnahmesignal ähnlich ist, führt dies zu niedrigen Signal-Rausch-Abständen (SNRs), was zu einer ungenauen Motorerkennung und Klassifizierung22,23 führt. Die genaue Signalerkennung beruht zusätzlich auf einem stabilen, niederohmigen Kopfhautkontakt21, der durch das Vorhandensein von grobem/dickem Haar, Benutzeraktivität und sogar Schwitzen signifikant beeinflusst werden kann22,24. Im Gegensatz dazu sind EMG-Signale mehrere Größenordnungen größer in der Amplitude, was eine größere Genauigkeit der Motorsignalerkennung ermöglicht15,18,25. Dies hat jedoch seinen Preis, da nahe gelegene Muskeln das Signal kontaminieren können, wodurch die Freiheitsgrade, die vom Gerät 16,17,25 gesteuert werden können, verringert werden können und eine tiefe Muskelbewegung25,26,27,28 nicht erkannt werden kann. Am wichtigsten ist, dass EMG nicht als Kontrollmethode verwendet werden kann, wenn eine signifikante Muskelkompromittierung und eine vollständige Abwesenheit von Gewebe vorliegt29.

Um die Entwicklung robotischer Exoskelette voranzutreiben, ist eine konsistente und genaue Detektion der motorischen Absicht des vorgesehenen Benutzers erforderlich. Schnittstellen, die das periphere Nervensystem nutzen, haben sich aufgrund ihres relativ einfachen Zugangs und ihrer funktionellen Selektivität als vielversprechende Schnittstellentechnik herausgestellt. Aktuelle periphere Nervenschnittstellenmethoden können invasiv oder nicht-invasiv sein und fallen typischerweise in eine von drei Kategorien: extraneurale Elektroden 30,31,32,33, intrafaszikuläre Elektroden 34,35,36 und penetrierende Elektroden37,38,39,40 . Da periphere Nervensignale im Allgemeinen auf dem Niveau von Mikrovolt liegen, kann es schwierig sein, diese Signale von Hintergrundgeräuschen mit ähnlicher Amplitude41,42 zu unterscheiden, was die Gesamtmotorerkennungsgenauigkeit der Schnittstelle verringert. Diese niedrigen Signal-Rausch-Verhältnisse (SNR) verschlechtern sich oft im Laufe der Zeit infolge einer sich verschlechternden Elektrodenimpedanz 43, die entweder durch Abbau der Vorrichtung39,43 oder durch lokale Fremdkörperreaktionen erzeugt wird, die Narbengewebe um die Vorrichtung herum erzeugen und/oder lokale axonale Degeneration37,44. Obwohl diese Mängel in der Regel durch Reoperation und Implantation einer neuen peripheren Nervenschnittstelle behoben werden können, ist dies keine praktikable langfristige Lösung, da weiterhin fremdkörperassoziierte Reaktionen auftreten würden.

Um diese lokalen Gewebereaktionen zu vermeiden, die durch die Interaktion peripherer Nerven mit abiotischen Schnittstellen entstehen, ist eine Grenzfläche mit einer biologischen Komponente erforderlich. Um diesen Mangel zu beheben, wurde das Regenerative Peripheral Nerve Interface (RPNI) entwickelt, um transezierte periphere Nerven in die Stumpfgliedmaßen von Amputationen mit Prothesenzu integrieren 45,46,47,48. Die Herstellung des RPNI beinhaltet die chirurgische Implantation eines transezierten peripheren Nervs in ein Segment autologer freier Muskeltransplantate, wobei Revaskularisation, Regeneration und Reinnervation im Laufe der Zeit auftreten. Durch die Erzeugung von Milli-Volt-Level-Compound-Muskelaktionspotentialen (CMAPs) ist das RPNI in der Lage, das Mikrovolt-Level-Signal seines enthaltenen Nervs um mehrere Größenordnungen zu verstärken, was eine genaue Erkennung der motorischen Absicht45,48,49 ermöglicht. In den letzten zehn Jahren hat sich das RPNI beträchtlich weiterentwickelt, mit bemerkenswerten Erfolgen bei der Verstärkung und Übertragung efferenter motorischer Nervensignale sowohl in Tierversuchen 50,51 als auch am Menschen47, was eine hochpräzise prothetische Gerätesteuerung mit mehreren Freiheitsgraden ermöglicht.

Personen mit Extremitätenschwäche, aber intakten peripheren Nerven würden in ähnlicher Weise von einer hochgenauen Erkennung der motorischen Absicht durch periphere Nervenschnittstellen profitieren, um Exoskelett-Geräte zu steuern. Da das RPNI für die Integration mit transezierten peripheren Nerven, wie z.B. bei Personen mit Amputationen, entwickelt wurde, waren chirurgische Modifikationen notwendig. Aufbauend auf den Erfahrungen mit dem RPNI wurde das Muscle Cuff Regenerative Peripheral Nerve Interface (MC-RPNI) entwickelt. Es besteht aus einem ähnlichen Segment des freien Muskeltransplantats wie beim RPNI und ist stattdessen umlaufend an einem intakten peripheren Nerv befestigt (Abbildung 1). Im Laufe der Zeit regeneriert es sich und wird durch kollaterales axonales Sprießen reinnerviert, wodurch diese efferenten motorischen Nervensignale verstärkt und in EMG-Signale übersetzt werden, die um mehrere Größenordnungen größer sind52. Da das MC-RPNI biologischen Ursprungs ist, vermeidet es die unvermeidliche Fremdkörperreaktion, die bei den derzeit verwendeten peripheren Nervenschnittstellen auftritt52. Darüber hinaus verleiht der MC-RPNI die Fähigkeit, mehrere Freiheitsgrade gleichzeitig zu steuern, da sie auf distal sezierten Nerven zu einzelnen Muskeln ohne signifikantes Übersprechen platziert werden können, wie zuvor in RPNIs49 gezeigt wurde. Schließlich kann der MC-RPNI unabhängig von der distalen Muskelfunktion arbeiten, da er auf dem proximalen Nerv platziert wird. Aufgrund seiner Vorteile gegenüber aktuellen peripheren Nervenschnittstellen ist das MC-RPNI vielversprechend für eine sichere, genaue und zuverlässige Methode der Exoskelettkontrolle.

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Protocol

Alle Tierversuche wurden mit Genehmigung des Institutional Care and Use of Animals Committee (IACUC) der University of Michigan durchgeführt. Männliche und weibliche Fischer F344- und Lewis-Ratten (~200-300 g) im Alter von 3-6 Monaten werden am häufigsten in Experimenten verwendet, aber theoretisch kann jeder Stamm verwendet werden. Wenn Spenderratten anstelle von autologen Muskeltransplantaten verwendet werden, müssen Spenderratten isogen für den experimentellen Stamm sein. Ratten haben sowohl prä- als auch postoperativ freien Zugang zu Nahrung und Wasser. Nach terminalen Endpunktbewertungen wird die Euthanasie unter tiefer Betäubung mit intrakardialer Kaliumchloridinjektion durchgeführt, gefolgt von einer sekundären Methode des bilateralen Pneumothorax.

1. Versuchsvorbereitung der Ratte

  1. Anästhesieren Sie die experimentelle Ratte unter Verwendung einer Lösung von 5% Isofluran in Sauerstoff bei 0,8-1,0 l / min in einer Induktionskammer. Sobald eine ausreichende Anästhesie erreicht und ohne Hornhautreflex bestätigt ist, legen Sie die Ratte auf einen Rebreather-Nasenkegel mit Isofluran, das zur Aufrechterhaltung der Anästhesie auf 1,75% -2,25% gesenkt ist.
  2. Injizieren Sie eine Lösung von 0,02-0,03 ml Carprofen (50 mg / ml) in 0,2 ml steriler Kochsalzlösung mit 27 G-Nadel in die subkutane Ebene zwischen den Schulterblättern für peri- und postoperative Analgesie.
  3. Tragen Sie sterile Augensalbe auf beide Augen auf, um Hornhautgeschwüre während der Narkose zu verhindern.
  4. Rasieren Sie mit einem elektrischen Rasierer den seitlichen Teil der bilateralen unteren Extremitäten, der sich vom Hüftgelenk über den Oberschenkel bis zur dorsalen Oberfläche der Pfote erstreckt.
  5. Sterilisieren Sie die Operationsstelle, indem Sie zuerst mit einem Alkohol-Vorbereitungskissen abwischen, gefolgt von der Anwendung von Povidon-Jodlösung, die mit einer abschließenden Reinigung mit einem neuen Alkohol-Vorbereitungskissen endet, um die restliche Povidon-Jod-Lösung zu entfernen. Wiederholen Sie diesen abwechselnden Reinigungsvorgang dreimal, um die Sterilität zu erhalten.
    HINWEIS: Dies kann ein dermatologischer Reizstoff sein; Stellen Sie sicher, dass der Großteil der Lösung entfernt wird.

2. Vorbereitung des Muskeltransplantats

  1. Legen Sie die Ratte auf ein Heizkissen unter einem Operationsmikroskop mit einem intraoralen Körpertemperaturfühler Ihrer Wahl zur Überwachung der Körpertemperatur. Halten Sie Isofluran bei 1,75%-2,25% und Sauerstoff bei 0,8-1,0 l/min.
  2. Machen Sie mit einem # 15-Skalpell einen Längsschnitt entlang des vorderen Aspekts der gewünschten Spender-Hinterbeine, der sich von knapp über dem Knöchel bis knapp unter das Knie erstreckt.
  3. Sezieren Sie das darunter liegende Unterhautgewebe mit einer scharfen Irisschere, um die darunter liegende Muskulatur und die distalen Sehnen nur in der Nähe des Sprunggelenks freizulegen. Tibialis anterior (TA) ist der größte und vorderste der Muskeln; Der Musculus extensor digitorum longus (EDL) befindet sich direkt tief und hinter diesem Muskel. Isolieren Sie den EDL-Muskel und seine distale Sehne von der umgebenden Muskulatur.
  4. Stellen Sie die Isolierung der richtigen Sehne sicher, indem Sie beide Zinken einer Pinzette oder Irisschere unter die distale Sehne in der Nähe des Sprunggelenks einführen. Üben Sie Druck nach oben auf die Sehne aus, indem Sie entweder die Pinzette oder die Irisschere öffnen. Diese Bewegung sollte eine gleichzeitige Streckung aller Zehen gleichzeitig erzeugen. Wenn isolierte Knöcheldorsalflexion, Knöcheleversion oder Einzelzehendorsalflexion auftritt, wurde die falsche Sehne isoliert.
  5. Führen Sie eine distale Tenotomie des EDL-Muskels auf Höhe des Knöchels mit einer scharfen Irisschere durch und sezieren Sie den Muskel frei von umgebendem Gewebe, das in der Nähe seines Sehnenursprungs arbeitet.
  6. Sobald die proximale Sehne visualisiert ist, führen Sie eine proximale Tenotomie mit einer scharfen Irisschere durch, um das Transplantat zu befreien.
  7. Schneiden Sie beide sehnigen Enden des Muskeltransplantats ab und schneiden Sie mit einer scharfen Irisschere auf die gewünschte Länge.
    HINWEIS: Transplantate von 8-13 mm wurden mit Erfolg eingesetzt; Die am häufigsten verwendete Länge beträgt jedoch 10 mm.
  8. Machen Sie auf einer Seite des Muskeltransplantats einen Längsschnitt entlang der gesamten Trimmlänge, um die Platzierung des Nervs innerhalb des Muskeltransplantats zu erleichtern und den Kontakt des Nervs mit Endomysium herzustellen.
  9. Legen Sie das vorbereitete Muskeltransplantat in eine mit Kochsalzlösung angefeuchtete Gaze, um das Austrocknen des Gewebes zu verhindern.
  10. Verschließen Sie die Haut über der Spenderstelle mit einer 4-0 chromen Naht im Lauf.

3. Gemeinsame peroneale Nervenisolierung und -vorbereitung

  1. Markieren Sie den chirurgischen Einschnitt, der sich von einer Linie ~ 5 mm von der Ischiaskerbe bis zum Kniegelenk erstreckt. Stellen Sie sicher, dass diese Markierung dem Femur, der darunter abgetastet werden kann, unterlegen und abgewinkelt ist.
  2. Schneiden Sie mit einer Klinge # 15 durch die Haut und das Unterhautgewebe entlang der markierten Inzisionslinie. Schneiden Sie vorsichtig durch die darunter liegende Bizeps-femoris-Faszie und achten Sie darauf, sich nicht über die gesamte Tiefe des Muskels zu erstrecken, da der Ischiasnerv direkt darunter liegt.
  3. Mit einer stumpfen kleinen Schere oder einem Hämostat vorsichtig durch den Bizeps-femoris-Muskel sezieren.
    HINWEIS: Der Ischiasnerv bewegt sich in diesem Raum unter dem Bizeps, der ungefähr in die gleiche Richtung wie der auf der Haut markierte Schnitt ausgerichtet ist. Es gibt drei bemerkenswerte Ischiasnerväste: Sural (die meisten hinteren und kleinsten der Nerven), Tibia (typischerweise am vorderen, aber dieser Nerv taucht immer tief zum Kniegelenk) und gewöhnliches Peroneal (typischerweise zwischen Tibia und Sural gelegen, verläuft immer über dem Kniegelenk).
  4. Identifizieren Sie den gemeinsamen Peronealnerv (CP) und isolieren Sie ihn sorgfältig mit einer Mikrozange und einer Mikroschere von den umgebenden Nerven. Entfernen Sie das umgebende Bindegewebe aus den mittleren 2 cm des Nervs. Achten Sie darauf, den CP-Nerv bei diesem Prozess nicht mit einer Pinzette zu zerquetschen, da eine Quetschverletzung die Endpunktergebnisse verändern kann.
  5. Führen Sie über dem zentralsten Teil des befreiten CP-Nervs ein epineuriales Fenster durch, indem Sie 25% des Epineuriums entlang der Länge des Nervs entfernen, die der gewünschten Länge des Muskeltransplantats entspricht.
  6. Um dies durchzuführen, halten Sie das proximale Epineurium mit einer Mikrozange, schneiden Sie mit einer Mikrodissektionsschere in das unmittelbar darunter liegende Epineurium und entfernen Sie ~ 25% des Epineuriums, das distal entlang des Nervs wandert. Achten Sie darauf, dieses Segment in einem Stück zu entfernen, da mehrere Versuche zu einer unregelmäßigen epineurialen Entfernung führen können, was das Risiko einer Nervenverletzung erhöht.
    HINWEIS: Das Nervengewebe, das dem Epineurium zugrunde liegt, hat eine klebrige Textur; Die Feststellung dieser Nervenqualität stellt sicher, dass die richtige Gewebeebene entfernt wurde.

4. MC-RPNI Konstruktfertigung

  1. Entfernen Sie das Muskeltransplantat aus der mit Kochsalzlösung angefeuchteten Gaze und legen Sie es unter den zentralen Teil des CP-Nervs, wo das epineuriale Fenster geschaffen wurde. Drehen Sie den Nerv um 180°, so dass der epineuriale Fensterabschnitt intakte Muskeln berührt und nicht unter der eventuellen Nahtlinie liegt.
  2. Mit einem 8-0 Nylonnaht, Naht des Epineuriums des CP-Nervs sowohl proximal als auch distal mit dem Muskeltransplantat innerhalb der in Schritt 2.8 erzeugten Rille unter Verwendung einfacher unterbrochener Nähte, um Epineurium zu Endomysium zu sichern.
    HINWEIS: Setzen Sie diese Stiche und stellen Sie sicher, dass sich der Muskel auf normaler Ruhelänge befindet. Wenn Sie den Muskel zu stark dehnen oder komprimieren, kann dies später die Regenerations- und Signalfähigkeiten beeinträchtigen.
  3. Wickeln Sie die Ränder des Muskeltransplantats, das den jetzt gesicherten Nerv umgibt, umlaufend und nähen Sie sie mit einfachen unterbrochenen 8-0 Nylonstiche (~4-6 je nach Länge).
  4. Sobald die Hämostase erreicht ist, schließen Sie die Bizeps-femoris-Faszie über dem Konstrukt mit 5-0 chromischer Naht in laufender Manier.
  5. Schließen Sie die darüber liegende Haut im Laufstil mit einer 4-0 chromischen Naht.
  6. Reinigen Sie den Operationsbereich mit einem Alkohol-Vorbereitungspad und tragen Sie eine antibiotische Salbe auf.
  7. Beenden Sie die Inhalationsanästhesie und legen Sie die Ratte in einen sauberen Käfig, der von Käfigkameraden isoliert ist, und lassen Sie sie sich mit Futter und Wasser ad lib erholen.
  8. Sobald sich die Ratte entsprechend erholt hat, legen Sie sie wieder mit Käfigkameraden in einen sauberen Käfig.
    HINWEIS: Diese Konstrukte erfordern eine Reifung von mindestens drei Monaten, um eine ausreichende Nervensignalverstärkung zu erzeugen.

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Representative Results

Die chirurgische Herstellung von MC-RPNI gilt als perioperatives Versagen, wenn Ratten das Auftauchen aus der chirurgischen Anästhesie nicht überleben oder innerhalb einer Woche nach der Operation eine Infektion entwickeln. Frühere Forschungen haben gezeigt, dass eine 3-monatige Reifezeit zu einer zuverlässigen Signalverstärkung aus diesem Konstruktführt 42,45,48,49. Zu diesem Zeitpunkt oder danach kann eine chirurgische Exposition der Konstrukte und eine Bewertung erfolgen. Wenn die MC-RPNI-Herstellung erfolgreich war, sollte der revaskularisierte Muskel an der ursprünglichen MC-RPNI-Implantationsstelle gut sichtbar sein (Abbildung 2B). Erfolgreiche MC-RPNIs ziehen sich nach proximaler Nervenstimulation zusätzlich zusammen (Video 1). Manchmal können signifikante Narbenbildung und atrophische Muskeltransplantate vorhanden sein (Abbildung 2C), was auf ein Versagen der Revaskularisation / Regeneration hinweist, das typischerweise auf ein zu großes Transplantat, eine unsachgemäße Handhabung oder eine perioperative Gewebeverletzung zurückzuführen ist. Diese atrophischen Transplantate haben häufig einen gewissen Grad an Kontraktion bei proximaler Nervenstimulation, erzeugen aber eine geringere Signalverstärkung. Insgesamt wird es als Herstellungsfehler betrachtet, wenn bei Exposition festgestellt wird, dass sich der MC-RPNI vom Nerv löst oder bei proximaler Nervenstimulation keine Kontraktion aufweist.

Die histologische Analyse dieser Konstrukte sollte lebensfähiges Nerven- und Muskelgewebe ohne signifikante Fibrose oder Narbenbildung nachweisen (Abbildung 3). Immunhistochemie kann auch durchgeführt werden, um das Vorhandensein von innervierten neuromuskulären Verbindungen mit Neurofilament als allgemeinem Nervenmarker in Kombination mit Alpha-Bungarotoxin als Marker für postsynaptische Acetylcholinrezeptoren zu bestätigen (Abbildung 4). Wenn der implantierte Zielnerv die Muskelkomponente des MC-RPNI nicht innervieren kann, würde die Immunfärbung weder kollaterale motorische Nervensprossen zeigen, die das Konstrukt durchqueren, noch innervierte neuromuskuläre Verbindungen.

Elektrophysiologische Tests können an diesen Konstrukten jederzeit nach der Reifung durchgeführt werden, wobei die veröffentlichten Ergebnisse stabile Signale speziell im MC-RPNI nach 3 Monaten52 und bis zu 3 Jahren in RPNIs bei menschlichen Probanden47 zeigen. Elektrophysiologische Testschemata können je nach Interessengebiet und verfügbarer Ausrüstung variieren (Abbildung 5), aber Auswertungen werden am häufigsten mit der Bereitstellung einer maximalen Stimulation des proximalen Nervs mit einer Hakenelektrode durchgeführt, gefolgt von einer Aufzeichnung der zusammengesetzten Muskelaktionspotentiale (CMAPs), die am MC-RPNI erzeugt werden (Tabelle 1 ). Die Aufzeichnungselektroden können je nach Benutzerpräferenz variieren, aber epimysiale Pflaster / Padsien, epimysiale bipolare Sonde und penetrierende bipolare Elektroden wurden experimentell mit Erfolg verwendet. Die durchschnittliche zusammengesetzte Nervenamplitude (CNAP), die am CP-Nerv nach einer proximaleren Nervenstimulation aufgezeichnet wurde, betrug 119,47 μV ± 14,87 μV. Die durchschnittliche CMAP-Amplitude, die am MC-RPNI nach ähnlicher proximaler CP-Nervenstimulation aufgezeichnet wurde, betrug 3,28 mV ± 0,49 mV, was zu einer Verstärkung des Nervensignals von 11-87x führte, mit einem durchschnittlichen Amplifikationsfaktor von 31,8 ± 7,70. Diese erzeugten CMAP-Wellenformen ähneln im Aussehen dem nativen Muskel, was weiter dazu beiträgt, dass sie von ihrem enthaltenen Nerv renerviert wurden (Abbildung 6B).

Um sicherzustellen, dass die MC-RPNI-Herstellung keine negativen funktionellen Auswirkungen hat, können elektrophysiologische und Muskelkrafttests an distal innervierten Muskeln durchgeführt werden. Die meisten Tests wurden am ipsilateralen EDL-Muskel durchgeführt, da er für Tests leicht zugänglich ist und vom gemeinsamen Peronealnerv innerviert wird (die kontralaterale EDL wird für die MC-RPNI-Herstellung entnommen und daher nicht bewertet). CMAPs, die durch physiologische EDL-Muskeln nach proximaler CP-Nervenstimulation erzeugt werden, liegen typischerweise zwischen 20 und 30 mV52. Bei der Durchführung dieses Tests an Ratten mit implantierten MC-RPNIs unterscheiden sich die EDL-CMAPs nicht signifikant und liegen im Durchschnitt bei 24,27 mV ± 1,34 mV. Darüber hinaus sind sie beim Vergleich der erzeugten CMAP-Wellenformen zwischen diesen beiden Gruppen bemerkenswert ähnlich (Abbildung 6C). Als zusätzliches Maß für die distal innervierte Muskelfunktion kann eine Muskelkraftprüfung des interessierenden Muskels durchgeführt werden (Tabelle 2). Nach proximaler CP-Nervenstimulation beträgt die durchschnittliche maximale Tetanenkraft der EDL bei MC-RPNI-Probanden 2451 mN ± 115 mN, ähnlich der durchschnittlichen Kraft von 2497 mN ± 122 mN, die aus dem EDL-Muskel bei Kontrollpersonen52 erhalten wird.

Der Hauptzweck des MC-RPNI besteht darin, das Mikrovolt-Signal seines enthaltenen Nervs um mehrere Größenordnungen zu verstärken, das SNR-Verhältnis zu erhöhen und so eine genaue Erkennung der Motorabsicht zu ermöglichen. Es wurde gezeigt, dass diese Amplifikation zuverlässig im Bereich von 10-20 mal 52 auftritt, wobei neuere Experimente Amplifikationsfaktoren von über50 Mal erreichen; Wenn ein Konstrukt also kein ähnliches Maß an Verstärkung bietet, wird es als suboptimal angesehen. Suboptimale Ergebnisse können typischerweise auf Probleme auf der Ebene des Muskeltransplantats im MC-RPNI zurückgeführt werden, da eine unvollständige Regeneration und damit Reinnervation zu einem niedrigeren CMAP als dem Standard-CMAP führen kann, wodurch die Gesamtverstärkungsfähigkeiten des Konstrukts verringert werden. Die erzeugte Wellenform ist typischerweise abgeschwächt, mit einem merklich abnormalen Aussehen. Wenn das Muskeltransplantat vollständig versagt, kann das an der Muskelkomponente gemessene Signal entweder nicht vorhanden sein (sekundär zu signifikantem Narbengewebe) oder das am vorgeschalteten Nerv erzeugte CNAP widerspiegeln.

Figure 1
Abbildung 1: Schematische Darstellung des MC-RPNI. Der periphere Zielnerv ist im umgebenden Muskeltransplantat gelb zu sehen. Der MC-RPNI ist in der Lage, die motorischen efferenten Aktionspotentiale seines enthaltenen Nervs auf der Ebene von Mikrovolt durch die Erzeugung von zusammengesetzten Muskelaktionspotentialen (CMAPs) zu verstärken, die um mehrere Größenordnungen größer sind. Dies erleichtert die Erkennung der Motorabsicht, die leicht von Hintergrundgeräuschen unterschieden werden kann. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung zu sehen.

Figure 2
Abbildung 2: MC-RPNI in vivo. Das MC-RPNI wird unter Verwendung eines autologen Extensor digitorum longus (EDL) Muskeltransplantats hergestellt, das aus der kontralateralen Extremität entnommen wird. Es wird dann umlaufend am gemeinsamen Peronealnerv befestigt, wobei ein Beispiel MC-RPNI zum Zeitpunkt der ersten Herstellung weiß (A) umrandet ist. Derselbe MC-RPNI ist zum Zeitpunkt der Endpunktbewertung 3 Monate nach der Endpunktbewertung erneut in (B) abgebildet. Der MC-RPNI hat eine ähnliche Färbung wie der umgebende Muskel und hat einen guten Teil des Volumens beibehalten. Ein Beispiel für ein atrophisches Muskeltransplantat ist in (C) dargestellt. Der MC-RPNI hat ein ähnliches Aussehen wie das umgebende Narben- und Bindegewebe und hat erheblich an Volumen verloren. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung zu sehen.

Figure 3
Abbildung 3: MC-RPNI-Histologie. (A) H&E eines MC-RPNI-Querschnitts, wobei M die Muskelkomponente und N den Nerv anzeigt. (B) Querschnitt des ipsilateralen distal innervierten EDL-Muskels bei einer Ratte mit MC-RPNI. (C) Querschnitt des EDL-Muskels bei einer Kontrollratte ohne MC-RPNI. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung zu sehen.

Figure 4
Abbildung 4: Immunfärbung des MC-RPNI. Das Bild oben links zeigt einen Längsschnitt einer MC-RPNI-Probe mit blau (DAPI) und grünen Nervengeweben (Neurofilament). Eine Nahaufnahme eines anderen MC-RPNI ist unten rechts mit mehreren neuromuskulären Verbindungen zu sehen (Alpha-Bungarotoxin in rot für Acetylcholinrezeptoren). Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung zu sehen.

Figure 5
Abbildung 5: Endpunkt elektrophysiologische Auswertung. Elektrophysiologische Tests erfordern mindestens drei Elektroden: (1) eine Erdungselektrode - nicht abgebildet; (2) eine nervenstimulierende bipolare Elektrode; und (3) eine bipolare Aufzeichnungselektrode. In diesem Aufbau ist eine bipolare stimulierende Hakenelektrode in Weiß rechts neben dem Bild zu sehen, das auf dem gemeinsamen Peronealnerv platziert ist. Die aufnehmende bipolare Sondenelektrode wird auf dem distalen MC-RPNI platziert. Die Signale werden dann vom MC-RPNI nach proximaler Nervenstimulation an der Hakenelektrode aufgezeichnet, bis maximale CMAPs erreicht sind. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung zu sehen.

Figure 6
Abbildung 6: Elektrophysiologische Standardwellenformen. Diese Grafiken zeigen typische Wellenformen, die während der elektrophysiologischen Analyse einer Ratte mit einem implantierten MC-RPNI nach proximaler CP-Nervenstimulation erfasst wurden. (A) In blau ist ein CNAP (*) dargestellt, der vom CP-Nerv proximal zum MC-RPNI aufgezeichnet wurde. Das Systemartefakt wird mit einem (**) gekennzeichnet. (B) Die repräsentative CMAP, die vom MC-RPNI nach dem generierten CNAP in (A) aufgezeichnet wurde. (C) Die resultierende CMAP-Wellenform, die vom ipsilateralen distal innervierten EDL-Muskel aufgezeichnet wurde. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung zu sehen.

Ratten-ID Gewicht der Ratte (g) Nerven-CNAP-Amplitude (μV) MC-RPNI CMAP Amplitude (mv) Nervensignalverstärkungsfaktor Latenz (ms)
1 421 123.3 1.4 11.35 0.8
2 368 65.6 1.6 24.39 1.05
3 390 110.7 4.5 40.65 1.45
4 482 217.2 3.61 16.62 0.95
5 417 144.6 1.39 9.61 0.9
6 417 156.1 3.4 21.78 0.95
7 381 82 7.2 87.8 0.9
8 393 87.9 2.3 26.17 1.15
9 378 87.8 4.2 47.84 1
10 459 n.a. 5.3 n.a. 1.55
11 380 n.a. 2.1 n.a. 0.75
12 415 n.a. 2.4 n.a. 1

Tabelle 1: Endpunkt-elektrophysiologische Analyse von MC-RPNIs. Eine Auswahl von Ergebnissen von Ratten, die 3 (Ratten 1-9) und 6 (Ratten 10-12) Monate nach der Herstellung einer Endpunktanalyse unterzogen wurden. Nach proximaler gemeinsamer peronealer (CP) Nervenstimulation wurden zusammengesetzte Nervenaktionspotentiale (CNAPs) am nachgeschalteten CP-Nerv und zusammengesetzte Muskelaktionspotentiale (CMAPs) am nachgeschalteten MC-RPNI aufgezeichnet. Der Amplifikationsfaktor für jeden Test ist in der rechten Spalte zu sehen. Anmerkung: Bei Ratten 10-12 konnte die CNAP in der Nähe des MC-RPNI aufgrund anatomischer Einschränkungen, die sich aus der Herstellung des MC-RPNI zu nahe am Start des CP-Nervs aus dem Ischiasnerv ergaben, nicht gemessen werden. Die durchschnittliche aufgezeichnete CNAP-Amplitude betrug 119,47 μV ± 14,87 μV, während die durchschnittliche CMAP-Amplitude 3,28 mV ± 0,49 mV betrug, was einen durchschnittlichen Verstärkungsfaktor von 31,8 ± 7,70 ergibt.

Ratten-ID Maximales Zucken (mN) V Maximale Tetanie (mN) V Hz Lo (mm)
1 927.13 3 2668.29 3 80 30.64
2 768.22 3.5 2677.85 3.5 80 31.15
3 646.99 3 2164.84 3 80 28.36
4 863.62 3.5 3109.67 3.5 150 31.07
5 774.48 1.5 2723.24 2 80 28.83
6 558.19 4 1930.22 4 120 29.46
7 753.97 1 2605.64 1 100 31.13
8 768.38 2 2897.08 2 100 31.86
9 559.9 1.5 1984.17 1.5 100 31.11
10 600.6 5.5 2416.09 5.5 80 32.51
11 770.27 5.5 2496.89 5.5 80 31.89
12 672.22 2.5 1740.04 2.5 50 31.34

Tabelle 2: Muskelkraftanalyse von Ratten mit implantierten MC-RPNIs. Muskelkrafttests wurden am Musculus ipsilateral extensor digitorum longus (EDL) durchgeführt, um festzustellen, ob der MC-RPNI einen Einfluss auf die distal innervierte Muskelfunktion hatte. Nach proximaler CP-Nervenstimulation wurden Kraftverfolgungen aufgezeichnet und die aktive Kraft für den interessierenden Test relevant. Lo wurde definiert als die optimale Muskelruhelänge, die maximale Kraft erzeugte. Die durchschnittliche maximale Zuckkraft von Ratten mit implantierten MC-RPNIs betrug 722,0 mN ± 32,11 mN und die durchschnittliche maximale Tetankraft betrug 2451 mN ± 115 mN, ähnlich den Werten von Kontrolltieren (maximales Zucken: 822,2 mN ± 41,11 mN; maximale Tetanie: 2497 mN ± 122 mN).

Video 1: MC-RPNI-Kontraktion nach proximaler Nervenstimulation. Nach der proximalen Nervenstromstimulation durch die Hakenelektrode rechts ist in der Mitte eine sichtbare Muskelkontraktion des MC-RPNI zu sehen. Bitte klicken Sie hier, um dieses Video herunterzuladen.

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Discussion

Das MC-RPNI ist ein neuartiges Konstrukt, das die Verstärkung der efferenten Aktionspotentiale eines intakten, peripheren motorischen Nervs ermöglicht, um ein Exoskelettgerät genau zu steuern. Insbesondere bietet der MC-RPNI einen besonderen Nutzen für Personen mit Extremitätenschwäche, die durch signifikante Muskelerkrankungen und/oder Muskelabwesenheit verursacht wird, bei denen EMG-Signale nicht aufgezeichnet werden können. Die Reduzierung bereits beeinträchtigter Muskelfunktionen wäre in dieser Population verheerend; Der MC-RPNI hat jedoch die Fähigkeit, diese Nervensignalverstärkung ohne Beeinträchtigung des distal innervierten Muskelsbereitzustellen 52 (Tabelle 1 und Tabelle 2). Bei Personen mit muskelbasierter oder niederer Motoneuronerkrankung sind periphere sensorische Nerven typischerweise nicht vom Krankheitsprozess betroffen53. Da die Empfindung erhalten bleibt, ist es unerlässlich, den Nerv in Kontinuität zu halten und Verletzungen zu vermeiden, und der MC-RPNI scheint jeden Nachteil für distal innervierte Ziele als Ganzes zu vermeiden, basierend auf Histologie (Abbildung 3), Immunhistochemie (Abbildung 4) und Bewertung der Muskelfunktion (Tabelle 2).

Das MC-RPNI beruht auf dem Konzept der kollateralen axonalen Sprießung des enthaltenen peripheren Nervs, ein Konzept, das sowohl in früheren Forschungen52 als auch in der gut beschriebenen Operationstechnik der End-to-Side-Neurorhaphie54,55 leicht demonstriert wurde. Um eine ausreichende Reinnervation des Muskeltransplantats während der MC-RPNI-Herstellung zu gewährleisten und negative Auswirkungen auf distal innervierte Ziele zu vermeiden, ist ein sorgfältiger Umgang mit dem Nerv unerlässlich. Während der Dissektion des Nervs kann ein Trauma vermieden werden, indem nur das Epineurium oder das Bindegewebe prägnant behandelt wird. Das Potenzial für Nervenverletzungen bei der MC-RPNI-Herstellung ist jedoch während der epineurialen Fensterstufe am höchsten. Um eine scharfe Durchtrennung von Nervenfasern zu vermeiden, wird empfohlen, diesen Schritt nur unter einem Hochleistungs-Operationsmikroskop (mindestens 5x) nach mehreren Gelegenheiten zum Üben an nicht-experimentellen Ratten durchzuführen. Dieser Schritt kann mehrere Versuche in Anspruch nehmen, und es wird nicht empfohlen, diesen Schritt zuerst an Ratten durchzuführen, die für die experimentelle Analyse bestimmt sind. Theoretisch ist Neurom in Kontinuität eine Komplikation, die nach MC-RPNI-Herstellung auftreten kann, insbesondere bei einem signifikanten Nerventrauma. Diese Komplikation ist jedoch in den vielen Jahren der Entwicklung nicht aufgetreten.

Die meisten Experimente, die mit dem MC-RPNI durchgeführt wurden, wurden am gemeinsamen Peronealnerv durchgeführt, da er relativ leicht zugänglich ist und distal innervierte Ziele bewertet hat. Theoretisch könnte jeder periphere Nerv mit einer motorischen Komponente substituiert werden. Reine sensorische Axone könnten verwendet werden, da Muskelgewebe sensorische Komponenten (Spindelfasern, Golgi-Sehnenorgane usw.) hat, aber diese Experimente wurden bisher nicht durchgeführt, und die Ergebnisse sind schwer vorherzusagen. Für die Muskeltransplantatkomponente des MC-RPNI reichen die Transplantate von 20-150 mg, abhängig von der Transplantatlänge und dem Alter der Ratte, und jedes Muskeltransplantat ähnlicher Größe kann erfolgreich verwendet werden. Die Regeneration von Muskeltransplantaten beruht zum Teil auf der Fähigkeit zur Revaskularisierung, und große/dicke Transplantate erleiden eher Nekrose und Fibrose, was die allgemeine Signalfähigkeit beeinträchtigt56. Forschungen, die speziell an RPNIs durchgeführt wurden, haben eine erfolgreiche Muskelregeneration und Aufrechterhaltung der Signalverstärkung bei Transplantaten bis zu 300 mg56 gezeigt. In Bezug auf die Rattenrasse werden Lewis und Fischer empfohlen, da die Mehrheit der anderen Ratten, die zu Versuchszwecken verwendet werden, dafür bekannt sind, sich infolge einer Nervenverletzung selbst zu verstümmeln57,58.

Insgesamt haben die aktuellen Erfahrungen mit der MC-RPNI-Fertigung zu einer Ausfallrate von <5% geführt. Die häufigsten beobachteten Konstruktfehler werden typischerweise dem Muskeltransplantatsegment zugeschrieben, woraufhin bei der Exposition festgestellt wird, dass sie entweder atrophisch oder vom Nerv entfernt sind. Verschobene MC-RPNIs resultieren in der Regel aus unzureichender Naht zum Zeitpunkt der Herstellung, was zur "Öffnung" des umlaufend umwickelten Muskeltransplantats und schließlich zur teilweisen Extrusion des enthaltenen Nervs führt. Diese MC-RPNIs behalten jedoch in der Regel einen gewissen Grad (wenn auch reduzierte) Signalverstärkungsfähigkeiten, da ein Teil des Transplantats immer noch am Nerv befestigt bleibt. Atrophische MC-RPNIs sind bei Exposition offensichtlich, da ihnen das typische Erscheinungsbild der Skelettmuskulatur fehlt, das oft nicht von Narbengewebe mit hellrosa bis grau/weißer Färbung zu unterscheiden ist (Abbildung 2C). Atrophie des Muskelgewebes kann aus vielen Faktoren resultieren, einschließlich Infektion, zu groß / dick eines Muskeltransplantats, akute Blutverlustanämie, Muskel- und / oder Nervenverletzung während der Herstellung sowie das Versagen der epineurialen Sicherungsnähte, die eine Kolbenbildung des Transplantats auf dem Nerv verursachen und die Revaskularisation reduzieren. Bei elektrophysiologischen Tests erzeugen atrophische MC-RPNIs typischerweise wenig bis gar keine Signalverstärkung; Bei Verwendung hochempfindlicher Elektroden können Aufzeichnungen der CNAP des darunter liegenden Nervs durch den atrophischen Muskel aufgezeichnet werden. Wenn bei mehreren Versuchspersonen eine signifikante Atrophie festgestellt wird, muss zum Protokoll zurückkehren und bestimmen, welche Schritte angepasst werden müssen. Wenn bei der Durchführung von Auswertungen keine Signale aufgezeichnet werden, ist es natürlich wichtig, Fehler zu beheben und nicht davon auszugehen, dass das Konstrukt ein Fehler ist. Die Fehlerbehebung bei der Einrichtung des Geräts ist von größter Bedeutung, da das Fehlen von Signalen sekundär zu beschädigten Elektroden (empfohlene Impedanz <16 Ω), falscher Elektrodenkonfiguration oder sogar unzureichender proximaler Nervenstimulation (einige Nerven benötigen 0,5-5 mA elektrische Stimulation, um CMAPs am nachgeschalteten MC-RPNI zu produzieren) sein kann.

Aktuelle Methoden der Mensch-Maschine-Schnittstelle für den Einsatz von Exoskeletts bei Menschen mit Extremitätenschwäche beruhen typischerweise auf Aufnahmen, die entweder von peripheren Nerven oder EMG aus Muskelgewebe stammen. Wie bereits erwähnt, bietet das MC-RPNI einen signifikanten Vorteil in Bezug auf die Kontrolle des Exoskeletts für Personen mit stark geschädigtem oder fehlendem Muskelgewebe, bei denen EMG-Aufzeichnungen nicht möglich sind29. Der MC-RPNI bietet auch einen Vorteil gegenüber aktuellen peripheren Nervenschnittstellenoptionen, einschließlich extraneuraler Elektroden 30,31,32,33, intrafaszikulärer Elektroden 34,35,36 und penetrierender Elektroden37,38,39,40 . Da inhärente Nervensignale üblicherweise auf dem Niveau von Mikrovolt liegen, hat der MC-RPNI die Fähigkeit, diese Nervensignale über das 30-fache zu verstärken, was eine genaue Erkennung der motorischen Absicht aus Hintergrundgeräuschen ermöglicht und somit eine zuverlässige Steuerung des Exoskeletts ermöglicht. Bei chronischer Anwendung haben aktuelle elektrodenbasierte Methoden letztendlich Schwierigkeiten, Komplikationen zu überwinden, die der materiellen Langlebigkeit in vivo und der Fremdkörperreaktion innewohnen, Komplikationen, die das MC-RPNI aufgrund seines biologischen Ursprungs vermeiden kann. Im Laufe der Zeit führen diese Fremdkörperreaktionen zu Gewebeschäden, Narbengewebebildung und schließlich zu axonaler Demyelinisierung und Degeneration. Experimente, die bis zu sechs Monate durchgeführt wurden, haben keine Hinweise auf neuronale Verletzungen, Narben oder Fibrose/Degeneration von distal innerviertem Muskelgewebe ergeben (Abbildung 3), und in Kombination mit der RPNI-Stabilität, die bei menschlichen Probanden über einen Beobachtungszeitraum von drei Jahren beobachtet wurde47, ist es vernünftig zu folgern, dass MC-RPNIs erfolgreich mit peripheren Nerven auf der Skala von Jahren bis Jahrzehnten interagieren könnten.

Das MC-RPNI soll zur Kontrolle des Exoskeletts bei einer Vielzahl von Pathologien eingesetzt werden, einschließlich solcher, die auf der Ebene des Nervensystems sowie des Muskels selbst auftreten. Zum Beispiel können muskelbasierte Pathologien Zustände umfassen, die von Trauma, Muskeldystrophie, entzündlichen Myopathien und Myasthenia gravis reichen. Trotz der tiefgreifenden Muskelschäden und Schwäche, die zu diesen Zuständen führen können 1,2,3, haben die meisten funktionierende untere Motoneuronen, die die MC-RPNI-Reinnervation und die Erkennung der motorischen Absicht erleichtern würden. Bei jenen Erkrankungen, die zu einer weit verbreiteten Muskelerkrankung (Muskeldystrophie etc.) führen, ist es durchaus möglich, dass die freie Muskeltransplantatkomponente betroffen sein könnte, wodurch das Amplifikationspotenzial eingeschränkt wird. Da jedoch der Nachweis einer einzigen motorischen Einheit (10-400 μV)59 eine Verstärkung peripherer Nervensignale bewirken kann, ist es vernünftig anzunehmen, dass der MC-RPNI genügend motorische Einheiten in seinem kleineren, definierten Bereich enthalten würde, um die Kontrolle des Exoskeletts in dieser Population zu erleichtern. Eine signifikante Einschränkung des Konstrukts besteht jedoch in jenen Pathologien, die zu signifikant reduzierten oberen und / oder unteren Motoneuronen führen, wie bei Schlaganfall, Rückenmarksverletzungen, Spinalmuskelatrophie (SMA) und amyotropher Lateralsklerose (ALS). Ohne eine geeignete periphere Nervenfaserpopulation, um den MC-RPNI zu renervieren, kann er sich nicht regenerieren und Signalverstärkung bereitstellen, was zu einem Konstruktversagen führt. Es werden Experimente durchgeführt, um die Mindestpopulation funktioneller peripherer Nervenfasern zu bestimmen, die für eine adäquate MC-RPNI-Funktion erforderlich sind.

Der Vorgänger des MC-RPNI, der RPNI, hat einen unermesslichen Erfolg bei der genauen Kontrolle von angetriebenen Prothesen beim Menschen durch die Verstärkung und Aufzeichnung von Signalen gezeigt, die von transezierten peripheren Nerven erzeugt werden. Vor allem ist es in der Lage, dies auf der Skala von Monaten bis Jahren ohne erneute Operation oder Neukalibrierung des Prothesengeräts zu tun. Häufige Beschwerden mit aktuellen Methoden der Mensch-Maschine-Schnittstelle für das Exoskelett-Kontrollzentrum auf Signalkontamination durch Übersprechen und die Notwendigkeit einer häufigen Rekalibrierung in EMG-abhängigen Methoden26,27,28 und periphere Nervenschnittstelleninstabilität im Laufe der Zeit, die sekundäre Operationen erfordert37,39,44 . Das MC-RPNI ist jedoch in der Lage, diese Komplikationen aufgrund seiner biologischen Zusammensetzung sowie seiner strategischen Platzierungsfähigkeiten zu vermeiden. Es ist unerlässlich, ein gründliches Verständnis dieses Konstrukts zu erlangen, um den Weg für den Einsatz bei menschlichen Probanden und die schließlich weit verbreitete Verwendung von genauen, zuverlässigen Exoskelettgeräten bei Menschen mit Extremitätenschwäche zu ebnen.

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Disclosures

Die Autoren haben keine Angaben.

Acknowledgments

Die Autoren danken Jana Moon für ihr fachkundiges Labormanagement und ihre technische Unterstützung und Charles Hwang für seine bildgebende Expertise. Experimente in diesem Papier wurden teilweise durch Zuschüsse der Plastic Surgery Foundation an SS (3135146.4) sowie das National Institute of Child Health and Human Development unter der Preisnummer 1F32HD100286-01 an SS und das National Institute of Arthritis and Musculoskeletal and Skin Diseases der National Institutes of Health unter der Award-Nummer P30 AR069620 finanziert.

Materials

Name Company Catalog Number Comments
#15 Scalpel Aspen Surgical, Inc Ref 371115 Rib-Back Carbon Steel Surgical Blades (#15)
2-N-thin film load cell (S100) Strain Measurement Devices, Inc SMD100-0002 Measures force generated by the attached muscle
4-0 Chromic Suture Ethicon SKU# 1654G P-3 Reverse Cutting Needle
5-0 Chromic Suture Ethicon SKU# 687G P-3 Reverse Cutting Needle
8-0 Monofilament Suture AROSurgical T06A08N14-13 Black polyamide monofilament suture on a threaded tapered needle
Experimental Rats Envigo F344-NH-sd Rats are Fischer F344 Strain
Fine Forceps - mirror finish Fine Science Tools 11413-11 Fine tipped forceps with mirror finish ideal for handling delicate structures like nerves
Fluriso (Isofluorane) VetOne 13985-528-40 Inhalational Anesthetic
Force Measurement Jig Red Rock n/a Custom designed force measurement jig that allows for immobilization of hindlimb to allow for accurate muscle force recording
MATLAB software Mathworks, Inc PR-MATLAB-MU-MW-707-NNU Calculates active force for each recorded force trace from passive and total force measurements
Nicolet Viasys EMG EP System Nicolet MFI-NCL-VIKING-SELECT-2CH-EMG Portable EMG and nerve signal recording system capable of simultaneous 2 channel recordings from nerve and/or muscle
Oxygen Cryogenic Gases UN1072 Standard medical grade oxygen canisters
Potassium Chloride APP Pharmaceuticals 63323-965-20 Injectable form, 2 mEq/mL
Povidone Iodine USP MediChoice 65517-0009-1 10% Topical Solution, can use one bottle for multiple surgical preps
Puralube Vet Opthalmic Ointment Dechra 17033-211-38 Corneal protective ointment for use during procedure
Rimadyl (Caprofen) Zoetis, Inc. NADA# 141-199 Injectable form, 50 mg/mL
Stereo Microscope Leica Model M60 User can adjust magnification to their preference
Surgical Instruments Fine Science Tools Various User can choose instruments according to personal preference or from what is currently available in their lab
Triple Antibiotic Ointment MediChoice 39892-0830-2 Ointment comes in sterile, disposable packets
Vannas Spring Scissors - 2mm cutting edge Fine Science Tools 15000-04 Curved micro-dissection scissors used to perform the epineurial window
VaporStick 3 Surgivet V7015 Anesthesia tower with space for isofluorane and oxygen canister
Webcol Alcohol Prep Coviden Ref 6818 Alcohol prep wipes; use a new wipe for each prep

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Die Muskelmanschette Regenerative periphere Nervenschnittstelle zur Verstärkung intakter peripherer Nervensignale
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