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方法文章

使用甲醛固定的人类尸体模型进行新皮层微电极阵列植入的外科培训

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DOI：

10.3791/56584

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2017年11月19日

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1Wyss Center for Bio and Neuroengineering, Geneva, 2Division of Neurology, Department of Clinical Neuroscience, Geneva University Hospitals, 3Department of Neurosurgery, Brigham and Women's Hospital, Harvard Medical School, 4Division of Neurosurgery, Department of Clinical Neuroscience, Geneva University Hospitals, 5Clinical Anatomy Research Group, Department of Cell Physiology and Metabolism, Faculty of Medicine, University of Geneva

本文内容

摘要

我们设计了一种操作流程，利用甲醛固定的尸体辅助神经外科医生进行人脑新皮层微电极阵列植入术的培训。

摘要

本方案描述了一种辅助外科医生进行人脑新皮层微电极阵列植入手术培训的流程。近年来的技术进步使得微电极阵列的制造成为可能，从而能够记录人脑新皮层中多个单个神经元的活动。这些阵列有望为健康与疾病状态下大脑功能的神经相关性提供独特的见解。此外，对自主性神经活动的识别与解码为建立脑机接口开辟了可能性，因而可能有助于恢复丧失的神经功能。新皮层微电极阵列的植入是一种侵入性操作，需要进行大于一厘米的开颅手术并暴露皮层表面；因此，该操作必须由经过充分培训的神经外科医生执行。为了提供手术培训的机会，我们设计了一种基于人尸体标本模型的培训流程。使用经甲醛固定的成人尸体标本，可避免在动物（尤其是非人灵长类）身上进行手术训练所面临的实际操作、伦理及经济难题，同时保留头部、颅骨、脑膜和脑表面的宏观结构，并允许模拟真实手术室环境下的体位摆放和器械操作。此外，与任何非人类模型相比，使用人尸体标本更接近临床日常实践。尸体模拟训练的主要局限在于缺乏脑搏动以及血液和脑脊液循环。我们建议，在对活体人脑新皮层植入微电极阵列之前，采用经甲醛固定的成人尸体标本模型是一种适当、实用且具有成本效益的手术培训方法。

引言

近年来，针对在活体大脑中记录多个单个神经元活动这一挑战，已开发出多种技术解决方案1,2,3。基于硅的微电极阵列在信号特性方面与传统的金属丝微电极表现相似，且能够在一小块脑组织区域内同时记录数十至数百个神经元的活动4,5,6,7。微电极阵列使科学家得以建立猴子初级运动皮层神经活动与手臂运动之间的对应关系8，这一成果进一步推动了脑机接口（BCIs）的发展9。

微电极阵列已在人类中用于两种情况：作为慢性植入物用于控制脑机接口（BCI），以及作为半慢性植入物用于研究癫痫患者单个神经元的活动。针对初级运动皮层中手部功能表征区域的慢性植入，已使四肢瘫痪患者能够控制机械臂或计算机光标的运动10,11,12,13。对于药物难治性癫痫且符合癫痫手术指征的患者，微电极阵列可与硬膜下皮层脑电图（ECOG）电极一同植入14，实现癫痫发作前、发作中和发作后的单细胞单位记录，初步揭示了癫痫发作期间及发作间期单个神经元的活动特征15,16,17,18,19。微电极阵列有望显著增进我们对大脑功能的理解，通过建立神经元活动与人类感知、运动和思维之间的联系——无论是在健康状态还是疾病状态下——从而推动神经科学的发展20,21。

基于硅的微电极阵列目前已可商业化获得，并且在美国已获得监管机构批准用于半慢性癫痫适应症。然而，这些装置具有侵入性，必须植入大脑内部。不正确的植入技术可能带来的不良后果，除了导致装置无法记录神经元活动外，还包括脑出血和感染，有可能引发持久性或永久性的神经功能障碍。尽管目前尚不清楚微电极阵列植入的并发症发生率，但在植入颅内脑电图（EEG）宏电极过程中，潜在严重并发症的发生率为1-5%22,23。因此，微电极阵列的正确植入既需要丰富的神经外科技术，也需要针对该操作的专门培训。

外科医生在安全环境中练习使用微电极阵列技术的现有方法包括非人哺乳动物和人类尸体。理想的培训模型应真实再现人类颅骨的大小和厚度；硬脑膜的坚韧程度和血管分支情况；人脑的脑回模式、质地和搏动特性；循环血液和脑脊液的存在；以及在类似手术室（OR）环境中受试者的整体体位。因此，动物模型必须具有足够的尺寸，才能为外科医生提供有意义的操作体验。大型非人灵长类动物最接近这一要求，但从伦理角度及其高昂成本来看，将其用于手术培训是不可持续的。啮齿类动物因体型过小而不予考虑；即便是猫或兔，其使用也明显偏离了类似手术室的环境条件。

人体尸体是一种具有吸引力的替代方案。其优势包括头部和大脑接近真实的生命尺寸与形态，以及能够在类似手术室的环境中建立外科培训条件。与真实情况最明显的差异在于缺乏脑部搏动和出血现象，以及尸体组织的外观和质地会因所采用的尸体保存技术而发生特定改变24。新鲜冷冻尸体在一定程度上能够保持多种器官和组织的质地与柔韧性，但存在若干缺点：一旦开始解冻，组织即刻启动降解过程，导致大脑迅速退化，无法真实实施微电极阵列的植入；此外，这类尸体资源相对稀少且成本较高。相比之下，甲醛固定尸体更具经济性、更易获取，且保存时间更长，但其组织质地会变硬。

本文建立了一种利用甲醛固定的尸体头颅模型进行新皮质微电极阵列植入神经外科培训的操作流程。该方法可实现接近真实手术室环境的体位和器械操作，包括开颅、硬脑膜切开以暴露新皮质表面，将电极基座固定于开颅窗邻近的颅骨区域，并使用气动冲击器将微电极阵列植入新皮质25。尤为关键的是，该模型使外科医生能够练习将微电极阵列（通过一束独立绝缘的金导线与电极基座相连）精确地平行于新皮质表面进行定位26。本方案真实复现了癫痫外科手术候选患者中同时植入微电极阵列与皮层脑电图（ECOG）电极的临床指征。具体植入手术的细节在很大程度上取决于所用微电极阵列的具体类型；本文所述流程针对的是近期已获得美国监管批准用于人体的微电极阵列。该阵列即所谓的犹他阵列（Utah array），包含一个4×4 mm、含100个微电极的网格，一个固定于颅骨外板的经皮基座，以及连接二者的导线束。

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方案

本研究所使用的人体遗体是在用于医学教育的遗体捐赠框架下提供的。捐赠者生前已书面签署知情同意书，同意将其遗体用于捐赠。根据联邦及州级法律法规，无需经过伦理委员会审查。

注意：本方案假设执行练习手术的人员为接受过标准神经外科手术培训并具备相关专业知识的神经外科医生，包括患者体位摆放与头部固定、开颅术和硬脑膜切开术以及缝合技术。除微电极阵列专用的工具和设备外，还需使用标准的神经外科工具和设备。

1. 尸体标本的选择及手术室的准备

  1. 选择头部、颅骨和大脑无疾病或损伤史的标本。
    1. 可选地，对尸体头部进行计算机断层扫描（CT），以确保无明显颅内病变（图1A），例如慢性硬膜下血肿或脑实质内占位性病变。利用CT扫描确定微电极阵列植入的目标皮层区域（例如，在脑机接口植入训练中，可选择中央前回的"手结区"，即初级运动皮层中手部代表区27）。
  2. 将尸体置于手术台上，取侧卧位。使用手术台而非解剖台，以增强类似手术室环境的真实感，并便于固定颅骨夹和气动冲击器。采用侧卧位可便于在经甲醛固定的尸体上实施额颞入路，此类尸体的颈部旋转受限。
  3. 将头部固定于颅骨夹中（图1B），并用手术巾覆盖（图1C）。
    注意：在本例中，颅骨夹的后方钉子异常地位于头部的矢状面上（见图1B），因为我们使用的是为手术培训目的而改装过的颅骨夹，用于固定与身体其余部分分离的尸体头部。
    1. 在手术台上使用标准颅骨夹时，应将固定头部的后方钉子垂直于矢状面放置。

2. 暴露新皮层表面

  1. 使用手术刀沿问号形切口切开头皮，暴露颞骨和额骨。沿切口后缘钝性分离颞肌。通过钝性剥离将头皮和颞肌翻起（图1D）。
  2. 进行一个较大的方形额颞部颅骨切开术，例如 5 × 5 cm（图2A）。为此，先在预定开颅区域的四个角钻四个骨孔，然后使用颅骨锯将各骨孔连接。用骨膜剥离器取下骨瓣，暴露硬脑膜。将骨瓣保存于生理盐水中。
  3. 使用硬脑膜剪在颅骨切口的三个边剪开硬脑膜（图2B）。将其翻起，暴露蛛网膜和大脑新皮层表面（图2C）。

3. 电极基座的固定

  1. 选择一个将要植入微电极阵列的脑回。应选择一个大致平坦的脑回表面，以便植入时微电极阵列能与之完全贴合。确保在微电极阵列将要植入的皮层表面区域无可见的血管走行。
  2. 在颅骨开窗的上缘靠近皮肤切口处选择一个用于固定电极基座的位置，并留出足够的导线余量，使微电极阵列能够顺利到达目标脑回。将基座用螺钉固定在颅骨外板靠近颅骨开窗的位置（图2D）。使用6至8枚自攻 cortical 骨螺钉（6 mm 长，2 mm 直径）以确保牢固固定。
    1. 操作基座时，务必始终确保微电极阵列不接触任何物体（以免损坏阵列或划伤新皮层表面），应使用带塑料或橡胶涂层尖端的镊子夹住靠近微电极阵列的导线束进行操作（图2E）。

4. 微电极阵列的定位与插入

  1. 将微电极阵列与目标脑回表面保持平行。根据需要弯曲导线束（图3A）。
    注意：刚性导线束不易按术者意愿塑形，需谨慎操作并保持耐心，以实现微电极阵列与皮层表面的良好对齐。
    1. 可选择使用"哑铃形"钛夹将导线束固定于颅骨，并控制其走向目标脑回的路径。固定时切勿将钛夹拧得过紧，以免损伤导线束。
  2. 将气动推进器大致对准微电极阵列的背面（图3B）。连接气动推进器与其控制盒之间的线路，然后打开控制盒电源。
    注意：在开启控制盒前，务必确保气动推进器距离阵列至少5 mm，因为设备初次启动时可能意外触发。
  3. 利用气动推进器支架上的毫米级调节螺钉，精细调整推进器与微电极阵列背面的对准位置（图3B，插图）。使用推进器对微电极阵列背面施加一次行程距离和压力可控的轻击，将其插入皮层表面，并穿透蛛网膜。
    注意：请检查微电极阵列是否已与皮层表面齐平。

5. 硬膜下 ECOG 电极网格的放置

注意：此步骤为可选步骤。

  1. 将硬膜下 ECOG 电极网格置于暴露的皮层表面（图 3D）。如有必要，可通过切割网格移除部分电极，使 ECOG 网格的整体形状与颅骨开窗相匹配。
  2. 调整 ECOG 网格的方向，使其导线从硬脑膜和颅骨的上方或后方引出。
  3. 在将 ECOG 网格放置于皮层表面之前，用生理盐水冲洗该网格。
  4. 通过缝合将 ECOG 网格固定在硬膜切口边缘的硬脑膜上。

6. 硬脑膜、骨瓣和皮瓣的复位与关闭

  1. 将暴露的皮层表面的硬脑膜向后翻转，并将其缝合至硬脑膜切口的边缘。
  2. 使用自攻 cortical 骨螺钉将“"狗骨形"”钛合金固定带拧入颅骨瓣边缘。将颅骨瓣复位于颅骨开窗处，并利用“"狗骨形"”钛合金固定带和自攻 cortical 骨螺钉将颅骨瓣固定于邻近颅骨。注意避免在骨缘之间压损微电极阵列的导线束（以及可选的 ECOG 网格导线束）。
  3. 将皮瓣翻回并缝合。围绕电极基座颈部闭合头皮切口（图 3E）。
    1. 或者，可通过在头皮瓣上另做一穿刺切口，使基座穿出头皮。

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结果

本方案采用经甲醛固定的尸体头颅模型，使外科医生能够在逼真、类似手术室的环境中练习将微电极阵列植入大脑新皮层的手术操作。可选择在术后进行神经影像学检查（如头部CT），以确认颅内无显著病变（图1A），并有助于确定植入部位。使用完整的标本并在手术台上进行手术设置，可显著提高培训过程的真实感（图1B-1C）。尽管甲醛固定会一定程度改变组织的颜色、质地和硬度，但暴露新皮层表面的各个手术步骤（皮肤切口、开颅和硬脑膜切开）仍可依照标准神经外科操作顺利实施（图1D 和 图2A-2C）。

针对微电极阵列的手术步骤与体内实际情况非常相似。第一步是将电极基座拧入颅骨开窗附近的颅骨上（图2D-2E

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讨论

本研究中描述的甲醛固定人尸体模型及手术方案，可模拟将微电极阵列植入人脑新皮质的外科手术过程。该手术的每个步骤，包括微电极阵列的定位及其通过气动插入器进行植入，均与真实患者手术过程几乎一致，唯一区别在于尸体模型缺乏脑部搏动和血液循环。本方案的关键步骤是将微电极阵列与新皮质表面精确对齐，并使用气动插入器将其冲击植入皮质。操作时必须尽可能使阵列与皮质表面保持平行。若在使用气动插入器第一次敲击后，阵列未能完全贴合新皮质表面，可再进行一次额外敲击。在整个操作过程中，应避免微电极阵列受到机械损伤。在临床条件下对真实患者进行植入时，若微电极、电极束或连接器出现任何可见损伤，应弃用该阵列并更换新的阵列。

目前，犹他阵列是唯一获得监管批准可用于人类的新生皮层微电极阵列。然而，其他类型的微电极已在动物中开发，并可能在特定研究项目中用于人类28。每种方法都有其自身的优点和缺点，主要与电极的设计相关。例如，犹他阵列的弹道式植入技术是出于必要性而开发的25，要求阵列必须与皮层表面精确对齐；而这一要求并不一定适用于...

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披露

作者无任何利益冲突需要披露。

致谢

作者感谢黑石微系统公司（Blackrock Microsystems）的 Rob Franklin 博士、日内瓦大学医院神经内科（瑞士日内瓦）的 Margitta Seeck 教授、日内瓦大学医院神经外科（瑞士日内瓦）的 Andrea Bartoli 博士和 Karl Schaller 教授，以及弗洛朗·布尔丹先生（Florent Burdin）和约翰·P·多诺休教授（John P. Donoghue）（瑞士日内瓦怀斯生物与神经工程中心）在准备本研究工作中提供的支持。

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材料

本文使用的材料清单
姓名公司目录编号评论
梅菲尔德头架钳Integra LifeSciences, 俄亥俄州辛辛那提A1059
开颅用米达斯雷克斯MR7系统美敦力公司, 明尼苏达州明尼阿波利斯EC300
硬脑膜剪刀斯克莱外科器械公司, 宾夕法尼亚州西切斯特22-2742
自攻骨螺钉OrthoMed公司, 俄勒冈州蒂加德OM SYN211806
微电极阵列及基座Blackrock Microsystems公司, 犹他州盐湖城LB-0612模拟阵列可应要求向制造商索取
气动冲击器Blackrock Microsystems公司, 犹他州盐湖城LB-0088
64通道皮层脑电图网格电极Ad-Tech Medical Instrument Corporation, 威斯康星州拉辛FG64C-SP10X-0C6可选

参考文献

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