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。
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摘要
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,
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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
- 选择头部、颅骨和大脑无疾病或损伤史的标本。
- 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）。
- 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。
- 将头部固定于颅骨夹中（图1B
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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
| 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
- Campbell, P. K., Jones, K. E., Huber, R. J., Horch, K. W., Normann, R. A. A silicon-based, 3-dimensional neural interface - manufacturing processes for an intracortical electrode array. IEEE Trans. Biomed. Eng. 38 (8), 758-768 (1991).
- Jones, K. E., Campbell, P. K., Normann, R. A. A glass/silicon composite intracortical electrode array. Ann. Biomed. Eng. 20 (4), 423-427 (1....
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