تقدم هذه الدراسة طريقة قابلة للتطوير وموثوقة وقابلة للتكرار للتسجيلات القشرية المزمنة المتكررة في نموذج الخنزير. هذه الطريقة لها تطبيقات في مختلف مجالات علم الأعصاب ، بما في ذلك أبحاث الألم وتشخيص الأمراض العصبية.
مقالة منهجية
تقدم هذه الدراسة طريقة قابلة للتطوير وموثوقة وقابلة للتكرار للتسجيلات القشرية المزمنة المتكررة في نموذج الخنزير. هذه الطريقة لها تطبيقات في مختلف مجالات علم الأعصاب ، بما في ذلك أبحاث الألم وتشخيص الأمراض العصبية.
تعد التسجيلات القشرية ضرورية لاستخراج الإشارات العصبية لإبلاغ التطبيقات المختلفة ، بما في ذلك واجهات الدماغ والحاسوب وتشخيص الأمراض. يضع كل تطبيق متطلبات محددة على تقنية التسجيل ، وغالبا ما يتم اختيار الحلول الغازية للتسجيلات طويلة المدى. ومع ذلك ، فإن طرق التسجيل الغازية تواجه تحديا بسبب فشل الجهاز واستجابات الأنسجة الضارة ، مما يضر بجودة الإشارة على المدى الطويل.
لتحسين موثوقية وجودة التسجيلات القشرية المزمنة مع تقليل المخاطر المتعلقة بفشل الجهاز وتفاعلات الأنسجة ، قمنا بتطوير تقنية نافذة الجمجمة. في هذا البروتوكول ، نبلغ عن طرق زرع نافذة الجمجمة والوصول إليها في خنازير السلالات المحلية اليافعة ، مما يسهل وضع مصفوفة القشرة الكهربائية المؤقتة (ECoG) على الأم الجافية. نصف أيضا كيف يمكن تسجيل الإشارات القشرية باستخدام تقنية نافذة الجمجمة. يمكن تكرار الوصول إلى نافذة الجمجمة عدة مرات ، ولكن ينصح بأسبوعين على الأقل بين جراحات الزرع والوصول لتسهيل الشفاء والتئام الأنسجة.
نجح نهج نافذة الجمجمة في تقليل أوضاع فشل القطب الكهربائي الشائعة واستجابات الأنسجة ، مما أدى إلى تسجيلات قشرية مستقرة وموثوقة بمرور الوقت. سجلنا الإمكانات المتعلقة بالحدث (ERPs) من القشرة الحسية الجسدية الأولية كمثال. وفرت الطريقة تسجيلات موثوقة للغاية ، مما سمح أيضا بتقييم تأثير التدخل (التحفيز عالي التردد) على تخطيط موارد المؤسسات. يشير عدم وجود أعطال كبيرة في الجهاز وانخفاض عدد الأقطاب الكهربائية المستخدمة (قطبان كهربائيان ، 43 جلسة تسجيل ، 16) إلى تحسن اقتصاد البحث. في حين أن الوصول الجراحي البسيط مطلوب لوضع القطب الكهربائي ، فإن الطريقة توفر مزايا مثل تقليل مخاطر العدوى وتحسين رفاهية.
تقدم هذه الدراسة طريقة قابلة للتطوير وموثوقة وقابلة للتكرار للتسجيلات القشرية المزمنة ، مع تطبيقات محتملة في مختلف مجالات علم الأعصاب ، بما في ذلك أبحاث الألم وتشخيص الأمراض العصبية. قد تمتد التعديلات المستقبلية من استخدامه ليشمل الأنواع الأخرى وطرائق التسجيل ، مثل التسجيلات داخل القشرة وتقنيات التصوير.
بشكل عام ، الغرض من التسجيلات القشرية هو استخراج المعلومات من الإشارات العصبية في الدماغ. يمكن استخدام هذه المعلومات بطرق مختلفة - التحكم في جهاز خارجي أو الاتصال أو تشخيص المرض أو إعادة التأهيل1،2،3،4. يضع كل تطبيق متطلبات فريدة على محتوى المعلومات والدقة المكانية المطلوبة ومقدار الغزو الذي يعتبر مقبولا. لذلك ، تم تطوير حلول التسجيل ذات النطاق الجراحي والدقة المكانية منذ اكتشاف مخطط كهربية الدماغ في عام 19295.
بشكل عام ، يمكن تقسيمها إلى تخطيط كهربية الدماغ (EEG) ، وتخطيط كهربية القشرة (ECoG) ، وتسجيلات داخل القشرة. مخطط كهربية الدماغ هي طريقة تسجيل غير جراحية تلتقط التذبذبات العصبية والإمكانات المرتبطة بالأحداث (ERPs) من الدماغ بأكمله. ومع ذلك ، فإن قدرته على تحديد مصادر هذا النشاط محدودة بسبب انخفاض استبانته المكانية. ECoG هي طريقة أكثر توغلا حيث يتم وضع الأقطاب الكهربائية epi- أو تحت الدوام ، وعادة ما تغطي جزءا أصغر من القشرة. لديها دقة مكانية أعلى ويمكنها تسجيل تخطيط موارد المؤسسات وإمكانيات المجال المحلي السطحي (LFP). لذلك ، يمكنه تحديد مصدر نشاط الدماغ بشكل أكثر دقة ، مما يجعله مفيدا ، على سبيل المثال ، في تحديد أصل الصرع البؤري. التسجيل داخل القشرة هو طريقة التسجيل الأكثر توغلا ويمكنه تسجيل نشاط الارتفاع من الخلايا العصبية الفردية الموجودة بشكل سطحي أو عميق داخل الدماغ و LFP من حجم الخلايا العصبية حول الأقطاب الكهربائية. تتميز هذه الإشارات بدقة مكانية عالية جدا ومحتوى معلومات ولكنها يتم إنتاجها بواسطة مجموعة فرعية مقيدة من الخلايا العصبية (1-10 خلايا عصبية لكل قناة)6.
لاستخراج المعلومات من الدماغ لفترات طويلة (شهور - سنوات) ، يجب أن تكون الواجهة مستقرة وموثوقة حتى تستمر الإشارات المكتسبة في تمثيل نفس المعلومات خلال الفترة بأكملها. تتطلب تسجيلات EEG تغييرات متكررة في القطب الكهربائي ، مما يجعل موثوقيتها متغيرة من منخفضة جدا إلى عاليةجدا 7،8،9،10. لذلك ، غالبا ما يتم اختيار طرق ECoG وداخل القشرة للتسجيلات المطولة. ومع ذلك ، تتطلب هاتان الطريقتان أن تظل حالة قطب التسجيل ، وكذلك الأنسجة ، مستقرة بمرور الوقت. بينما يظل القطب الكهربائي عادة في نفس الموقع ، فقد تتغير واجهة القطب الكهربائي بسبب تفاعلات الأنسجة أو أوضاع فشل القطبالكهربائي 11،12،13،14. تشمل تفاعلات الأنسجة موت الخلايا العصبية ، والنزيف ، والقاشف الحيوي ، ورد فعل الأجسام الغريبة ، والدبقي ، والتغليف ، والعدوى ، والتهاب السحايا ، وبثق السحايا15. هذه التفاعلات تضر بقدرات تسجيل الأقطابالكهربائية 12،13. أوضاع فشل القطب الكهربائي الشائعة هي التفريغ أو التسرب في الأجزاء المعزولة ، وتفريغ أو تكسير طلاء سطح القطب الكهربائي ، وتلف الأسلاك ، وخلع القطبالكهربائي 11،12.
للتغلب على أوضاع فشل القطب الكهربائي ، نظرنا في جدوى حل وضع القطب الكهربائي المؤقت الذي يعالج أيضا العديد من التحديات المتعلقة باستجابات الأنسجة ، وهي موت الخلايا العصبية ، ورد فعل الأجسام الغريبة ، والانبساط ، والتغليف ، والبثق السحائي علاوة على ذلك ، كان وضع القطب الكهربائي المتسق شرطا لتحقيق تسجيلات عصبية موثوقة وقابلة للتكرار. نظرا لأن القطب تم وضعه بشكل جانبي على مسافة بضعة ملليمترات من الأنسجة العصبية ، يجب ألا تتجاوز حركة القطب 1 مم. تم تصميم نافذة الجمجمة بأبعاد لمنع الحركة المفرطة بين مواضع الأقطاب الكهربائية. مع تطوير تقنية نافذة الجمجمة ، نهدف إلى تحسين موثوقية الإشارة وجودتها على المدى الطويل وإزالة مخاطر فشل القطب.
الوصول مقيد. يرجى تسجيل الدخول أو بدء فترة تجريبية لعرض هذا المحتوى.
تمت الموافقة على هذا البروتوكول من قبل الإدارة البيطرية والأغذية الدنماركية التابعة لوزارة الأغذية والزراعة ومصايد الأسماك في الدنمارك (البروتوكول رقم 2020-15-0201-00514). خضعت ما مجموعه 16 من أنثى خنزير السلالات المحلية لهذه الإجراءات. كان وزن حوالي 20 كجم عند وصولها إلى المنشأة ، مما يعني أنها كانت تبلغ من العمر شهرين تقريبا. كان وزنهم حوالي 30 كجم عند الزرع و 40-60 كجم في نهاية الدراسة. تتكون الإجراءات من جراحة الزرع وجراحة الوصول والجراحة النهائية (الشكل 1).

الشكل 1: الجدول الزمني للإجراءات التجريبية. يمكن تكرار جراحة الوصول (المرحلة الثانية) عدة مرات. ينصح بالفصل لمدة أسبوعين على الأقل بين العمليات الجراحية للتعافي والتئام الجروح بين العمليات الجراحية. الاختصار: ERP = الإمكانات المتعلقة بالحدث. الرجاء النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.
1. جراحة الزرع (المرحلة الأولى)
ملاحظة: يتم زرع نافذة قحفية من حمض البولي لاكتيك (PLA) مطبوعة ثلاثية الأبعاد (الشكل 2) لتسهيل التسجيلات المتكررة من القشرة الحسية الجسدية الأولية للخنزير. يتم تسجيل تخطيط موارد المؤسسات بسبب التحفيز الكهربائي للعصب الزندي. يتم إجراء الجراحة وإغلاق الجرح بحيث يمكن الوصول إلى نافذة الجمجمة وإغلاقها لاحقا.

الشكل 2: تصميم نافذة الجمجمة. (أ) منظر جانبي لنافذة الجمجمة يشير إلى ارتفاع الجدران والقاعدة المثبتة بالجمجمة. (ب) منظر علوي يشير إلى قطر أرملة الجمجمة وفتحات المسامير ومساحة الغطاء والنافذة. غطاء نافذة الجمجمة عبارة عن أسطوانة قطرها 22 مم بارتفاع 1 مم تتناسب بدقة مع مساحة الغطاء. الرجاء النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.

الشكل 3: زرع نافذة الجمجمة. (أ) يتم تحديد الموقع المتوقع لنقطة بريجما وتمييزه على الخنزير قبل اللف المعقم ، حيث قد يكون من الصعب تمييز ذلك بعد ذلك. (ب) بعد شق الجلد ، يتم فك الجلد تحت الجلد باستخدام المقص. (ج) يتم حفر ثقب قطره 15 مم في الجمجمة ، وإزالة الحواف باستخدام rongeurs. يتم تمييز خطوط الخياطة الإكليلية والسهمية. (د) يتم زرع نافذة الجمجمة وتثبيتها باستخدام البراغي. الرجاء النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.

الشكل 4: زرع الأسلاك الطرفية. (أ) يتم وضع إبرتين 23 جم في الجلد ويتم إدخال أسلاك Cooner من خلالها. (ب) تتم إزالة الإبر ، وتترك الأسلاك في الجلد المتصلة بالمحفز باستخدام مشابك التمساح. الرجاء النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.

الشكل 5: إعداد التسجيل القشري. (أ) يتم وضع مصفوفة الأقطاب الكهربائية على الجافية ، ويكون حامل المسرح والمعالج الدقيق في غلاف معقم أثناء جراحة الزرع ، حيث يكون الشق أطول وأكثر جانبيا. (ب) لقطة مقربة ل μECoG في إعداد التسجيل أثناء جراحة الوصول ، حيث يكون الشق أكثر وسطية. (ج) إعداد التأريض ، حيث يتم تقصير جميع أسلاك التأريض والمرجعية على ECoG وتوصيلها عبر موصل U بالمسمار المحيط بالجمجمة. (د) لقطة مقربة لمنصة الرأس وحامل المسرح أثناء جراحة الوصول. يتم وضع μECoG على الجافة. الاختصارات: ECoG = القشرة الكهربائية. μECoG = microECoG. الرجاء النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.

الشكل 6: تقنية الخياطة. (أ) تخطيطي لتقنية المرتبة العمودية المدفونة تحت الجلد. (ب) تخطيطي لتقنية الخياطة المستمرة داخل الأدمة. الرجاء النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.
2. جراحة الوصول (المرحلة الثانية)
ملاحظة: بعد 2-4 أسابيع ، يتم فتح نافذة الجمجمة لإجراء تسجيلات متابعة للإشارات القشرية من S1. يتم إجراء الجراحة وإغلاق الجرح مرة أخرى بطريقة يمكن الوصول إلى نافذة الجمجمة وإغلاقها مرة أخرى.
3. الجراحة النهائية (المرحلة الثالثة)
ملاحظة: بعد 2-4 أسابيع ، يتم فتح نافذة الجمجمة لإجراء تسجيلات متابعة للإشارات القشرية من S1. تتكرر الخطوات 2.2-2.5 ، كما هو موضح أعلاه ، متبوعة بالخطوة 3.1.
الوصول مقيد. يرجى تسجيل الدخول أو بدء فترة تجريبية لعرض هذا المحتوى.
باستخدام تقنية نافذة الجمجمة ، تم تسجيل الإشارات القشرية في 43 جلسة في 16. شفيت بشكل مناسب بعد الجراحة وتم إيواؤها طوال الدراسة ومراقبتها يوميا باستخدام مخطط الرعاية الاجتماعية في الجدول التكميلي S1. حصلت جميع على درجة 0 في جميع الأوقات ، مما يشير إلى رفاهية ممتازة. يوضح الشكل 7 أن النوافذ تم وضعها بالفعل فوق منطقة S1 من قشرة الخنازير. عادة ما لوحظ بعض الندوب على الجافية في الجسم الحي وما بعد الوفاة (الشكل 7 أ) ، لكن فحص ما بعد الوفاة كشف أنه لم يؤث...
الوصول مقيد. يرجى تسجيل الدخول أو بدء فترة تجريبية لعرض هذا المحتوى.
تكمن أهمية تطوير هذه التقنية في إزالة أوضاع فشل القطب الكهربائي ، وتقليل استجابات الأنسجة ، وبالتالي تحسين موثوقية تقنيات التسجيل القشرية الغازية. لم تحدث أي أوضاع لفشل القطب الكهربائي أثناء الدراسة ، وتم استخدام ما مجموعه مصفوفتان من ECoG طوال الدراسة ، بما في ذلك 16 و 43 جلسة تسجيل. هذا له تأثير إيجابي إضافي على اقتصاد البحوث. باستخدام الطرق التقليدية المزروعةبالكامل 12،26،27 ، ستكون هناك حاجة...
الوصول مقيد. يرجى تسجيل الدخول أو بدء فترة تجريبية لعرض هذا المحتوى.
ليس لدى المؤلفين أي تضارب في المصالح للإفصاح عنه.
يود المؤلفون أن يشكروا القائمين على رعاية والفنيين في منشأة المختبر في مستشفى جامعة ألبورغ. يتم دعم مركز المرونة العصبية والألم (CNAP) من قبل مؤسسة البحوث الوطنية الدنماركية (DNRF121). تم إنشاء الشكل 6 والشكل 8 في BioRender.
الوصول مقيد. يرجى تسجيل الدخول أو بدء فترة تجريبية لعرض هذا المحتوى.
| الاسم | الشركة | رقم فهرسي | التعليقات |
|---|---|---|---|
| زرع نافذة الجمجمة | |||
| مشرط | يمكن التخلص منها ، شفرة 10 | ||
| الملقط | |||
| الشاش | |||
| الكي | |||
| مصعد السمحاق | مسطحة ، عرض 10 مم | ||
| ضام Weitlaner | 3 × 4 شوق، غير حاد، 16.5 سم | ||
| نظام الحفر الجراحي Midas Rex Legend EHS | الحلول الجراحية التي تعمل بالطاقة من ميدترونيك ، فورت وورث ، الولايات المتحدة الأمريكية | ||
| أسطورة الكرة غرامة لقم الثقب | الحلول الجراحية التي تعمل بالطاقة من ميدترونيك ، فورت وورث ، الولايات المتحدة الأمريكية | 7BA40F-MN و 7BA60F-MN | MedNext من النوع 4 و 6 مم قطر الرأس |
| غطاء معقم للحفر | |||
| حقنة | 5 مل | ||
| ملح | |||
| مص | |||
| حاكم | |||
| أعواد القطن | |||
| رونجر | فك مستقيم ، 15 سم ، حجم بت 3 × 20 مم | ||
| 2.5 مم مثقاب ومقبض يدوي | |||
| مجموعة ضخ الفراشة | |||
| ستة مسامير M3 بطول 6-14 مم | |||
| مفك البراغي | |||
| ثلاثة أحجام من نافذة الجمجمة المطبوعة ثلاثية الأبعاد (عمق 4 و 5 و 6 مم) وغطاء | |||
| موصل غير معزول على شكل حرف U | |||
| موصل التمساح | |||
| إسفنجة مضادات حيوية قابلة للامتصاص Genta-coll | |||
| خياطة قابلة للامتصاص VYCRIL ؛ | إيثيكون | 2-0 26 ملم مستدير الجسم | |
| خياطة أحادية الكريل غير قابلة للامتصاص | إيثيكون | 3-0 24 مم قطع عكسي | |
| حامل إبرة | |||
| مقص | |||
| غراء الأنسجة اللاصقة الموضعية | ليوكوسان | ||
| زرع الأسلاك الطرفية | |||
| سلكان Cooner غير معزولين جزئيا | |||
| ملاحظة: 1-2 سم من الأسلاك غير معزولة في المنتصف وفي أحد الأطراف | |||
| إبرتان بقياس 23 | |||
| الشاش | |||
| محفز قابل للبرمجة يتم التحكم فيه بواسطة جهاز كمبيوتر يعمل بنظام MC_stimulus | أنظمة متعددة القنوات، رويتلينغن، ألمانيا | STG4008 | |
| اثنين من موصلات التمساح | |||
| التسجيلات القشرية | |||
| لوحة معدنية للمناور الدقيق المغناطيسي ؛ | |||
| حامل مناور دقيق مغناطيسي | |||
| مناور دقيق | |||
| حامل المسرح الرئيسي | |||
| 32 قناة ZIF مشبك headstage | TDT ، ألاتشوا ، فلوريدا ، الولايات المتحدة الأمريكية | ||
| 32 قناة التصوير الكهربي الدقيق (µ ECoG) مصفوفة ؛ | Neuronexus ، آن أربور ، الولايات المتحدة الأمريكية | E32-1000-30-200 | |
| معدات تسجيل TDT بما في ذلك مكبر الصوت المسبق SI8 ومعالج البيانات RZ2 ومحطة العمل WS8 ؛ | TDT ، ألاتشوا ، فلوريدا ، الولايات المتحدة الأمريكية | ||
| التخدير والتخدير تسكين الألم | |||
| زوليتيل 50 بيطري | فيرباك ، كاروس ، فرنسا | ||
| رومبون (زكسيلاسين) | إيلانكو صحة مونهايم. ألمانيا | ||
| Torbugesic (Butorphanol) | Intervet International, Boxmeer, هولندا | اليوم يتم استخدام صيغة مختلفة (dolorex) | |
| كيتامينول | Intervet International, Boxmeer, هولندا | ||
| بروبوفول | باكستر القابضة ، أوتريخت ، هولندا | ||
| الفنتانيل | ب. براون، ميلسونغن، ألمانيا | ||
| ميتاكام | بورهرينجر إنجلهايم فيتميديكا ، إنجلهايم ، ألمانيا | ||
| نوروموكس | Scanvet Animal Health ، فريدنسبورغ ، الدنمارك | ||
| خماسي البار | LeVet, Oudewater, هولندا |
الوصول مقيد. يرجى تسجيل الدخول أو بدء فترة تجريبية لعرض هذا المحتوى.
طلب إذن لإعادة استخدام النص أو الأشكال في مقالة JoVE هذه
طلب إذن