Name: 应用甲醛固定人尸体模型植入皮层微电极阵列的外科训练 (视频) | JoVE Journal
Uploaded: 2017-11-19T13:00:00.000+00:00
Duration: 8 min 11 s
Description: 学习利用甲醛固定人尸体模型进行皮层微电极阵列植入的外科训练方法。该方案为神经外科医生提供逼真的操作环境与解剖结构，帮助掌握关键手术步骤并提升临床技能。

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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。

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
<ol>
	<li>选择头部、颅骨和大脑无疾病或损伤史的标本。
	<ol>
		<li>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&#34;手结区&#34;，即初级运动皮层中手部代表区27）。</li>
	</ol>
	</li>
	<li>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。</li>
	<li>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。
	<ol>
		<li>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。</li>
	</ol>
	</li>
</ol>
2. 暴露新皮层表面
<ol>
	<li>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）。</li>
	<li>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。</li>
	<li>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）。</li>
</ol>
3. 电极基座的固定
<ol>
	<li>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。</li>
	<li>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。
	<ol>
		<li>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）。</li>
	</ol>
	</li>
</ol>
4. 微电极阵列的定位与插入
<ol>
	<li>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。
	<ol>
		<li>可选择使用&#34;哑铃形&#34;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。</li>
	</ol>
	</li>
	<li>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。</li>
	<li>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。</li>
</ol>
5. 硬膜下 ECOG 电极网格的放置
注意：此步骤为可选步骤。
<ol>
	<li>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。</li>
	<li>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。</li>
	<li>在将 ECOG 网格放置于皮层表面之前，用生理盐水冲洗该网格。</li>
	<li>通过缝合将 ECOG 网格固定在硬膜切口边缘的硬脑膜上。</li>
</ol>
6. 硬脑膜、骨瓣和皮瓣的复位与关闭
<ol>
	<li>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。</li>
	<li>使用自攻 cortical 骨螺钉将“&#34;狗骨形&#34;”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“&#34;狗骨形&#34;”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）。</li>
	<li>将皮瓣翻回并缝合。围绕电极基座颈部闭合头皮切口（图 3E）。
	<ol>
		<li>或者，可通过在头皮瓣上另做一穿刺切口，使基座穿出头皮。</li>
	</ol>
	</li>
</ol>

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作者无任何利益冲突需要披露。

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...

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。

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

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

Surgical Training for the Implantation of Neocortical Microelectrode Arrays Using a Formaldehyde-fixed Human Cadaver Model

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。

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</stron...

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。

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程序。

微电极可用于记录活体大脑中单个神经元的活动。得益于近年来工程技术的进步，微电极阵列正逐步应用于人类。这些阵列能够获取人脑大脑皮层中上百个单个神经元的活动信息。迄今为止，微电极阵列在人类中已应用于两种情况：作为慢性植入物用于控制脑机接口，以及作为临时植入物用于研究接受颅内脑电图评估的癫痫患者的神经机制。微电极阵列属于侵入性装置，其植入需要打开颅骨和脑膜，并将阵列插入大脑皮层。因此，人体内微电极阵列的植入必须由神经外科医生进行。除了需具备标准神经外科工具和操作技术的专业知识外，医生还应接受微电极阵列植入麻醉程序的培训。我们采用经甲醛固定的成人遗体设计了该培训流程。我们的目标是为外科医生提供一个类似手术室的环境、逼真的解剖结构，以及练习和演练手术关键步骤的机会。此处展示的方案专门适用于犹他电极阵列。该装置包含一个 4×4 毫米、由 100 个基于硅的微电极组成的阵列，一束由 100 根独立绝缘的金导线构成的线缆，以及一个经皮的钛基底座，用于连接记录神经信号的计算机。本教学视频回顾了手术操作的各个步骤，包括术前准备、暴露皮层表面、固定基座、植入微电极阵列本身、放置皮层脑电图（electrocorticography，ECoG）网格，以及关闭颅骨切口。应选择无头部、颅骨或脑部疾病或损伤史的标本。如有条件，可通过死后头部CT扫描确保不存在明显的颅内病变。将头部固定在颅骨夹具中，并用手术单覆盖。切开并牵开头皮和颞肌。进行一个较大的方形开颅手术，例如 5×5 厘米。移除颅骨瓣并暴露硬脑膜。保留颅骨瓣。在颅骨开窗的三个侧面切开硬脑膜。放低头位，暴露蛛网膜和大脑新皮层表面。固定基座的第一步是选择一个将要植入微电极阵列的皮层脑回。该脑回表面应大致平坦，以便插入时微电极阵列能与之完全贴合。微电极阵列植入位置的皮层表面不得有可见的血管走行。随后，在颅骨开窗上缘靠近皮肤切口处选择基座固定位置。预留足够的导线余量，以确保微电极阵列能够到达目标脑回。使用骨螺钉将基座固定在颅骨开颅部位附近的颅骨外表面。在整个操作过程中，必须始终确保微电极阵列不接触任何物体，以免造成损坏或损伤新皮层表面。使用带有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。将微电极阵列平行于目标脑回表面放置。根据需要弯曲导线束。这是关键步骤。导线束具有一定刚性，不易完全贴合外科医生的预期位置。为实现微电极阵列与皮层表面的良好对齐，需要格外小心并保持耐心。可使用狗骨形钛夹将导线束固定于颅骨上，并控制其走向目标脑回的路径。现在将气动冲击器的支架大致对准微电极阵列的背面。稍后将使用气动冲击器支架上的毫米级螺钉进行更精细的调节。将气动冲击器固定在其支架内。检查与控制箱的连接，然后打开控制箱。现在，使用微米级螺钉将撞击器与微电极阵列的背面精确对齐。接着，利用撞击器对微电极阵列背面施加一个轻触，并将其推入皮层表面。检查微电极阵列是否与皮层表面齐平。可选择在暴露的皮层表面放置一个硬膜下皮层电图电极，并通过缝合将其固定在硬脑膜上。微电极阵列将被ECOG级别覆盖。将硬脑膜复位至暴露的皮层表面并缝合。复位骨瓣。使用狗骨形钛夹固定。确保微电极阵列的导线束以及皮层脑电图（ECOG）电缆未被骨缘压损。重新定位皮瓣并缝合。缝合基座颈部周围的皮肤切口。或者，也可通过在皮瓣上另做穿刺切口，使基座由此穿出头皮。我们采用经甲醛固定的成人尸体头颈部标本，以便外科医生练习将微电极阵列植入人脑新皮质的手术操作。其优势包括类似手术室的环境和真实的人体解剖结构，以及能够练习手术关键步骤，例如微电极阵列本身的操控以及冲击器的使用。使用尸体标本的明显缺点是缺乏血液和脑脊液循环，以及不存在由呼吸和心跳引起的脑搏动。综上所述，在甲醛固定尸体标本上练习微电极植入术，足以满足神经外科医生的培训需求。经甲醛固定的尸体易于获取且相对便宜。该方法避免了使用非人灵长类动物培训外科医生时涉及的伦理和成本问题。

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科研

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Medicine

医学

应用甲醛固定人尸体模型植入皮层微电极阵列的外科训练

我们为正在学习慢性神经记录电极植入过程的外科医生提供有用的信息。本文在啮齿类动物模型中描述了穿透性和表面电极系统的相关技术。...

慢性神经电极的手术植入以记录单细胞活动和皮层脑电图信号

该视频演示了一种将无线双向多通道电极装置植入大鼠脑内的操作流程，用于记录和刺激多通道神经网络。...

在大鼠脑内植入无线双向微电极系统

本视频演示了一种将电极组件植入小鼠脑内的技术。该组件包含双极电极，用于记录海马区的神经活动，以及一个参考电极，用于获取小脑区域的基线活动信号。将麻醉后的小鼠固定于立体定位仪上，随后将电极组件植入目标脑区。术后动物恢复一段时间，随后进行电生理记录。...

在小鼠脑内植入电极组件用于电生理记录

穿梭箱回避学习在行为神经科学中已有充分研究。本方案描述了如何将啮齿类动物的穿梭箱学习与特定脑区的皮层内微刺激（ICMS）以及同步的慢性体内记录相结合，作为一种研究学习与感知多个方面的工具。...

结合穿梭箱训练与皮层电生理记录及刺激作为研究感知与学习的工具

我们开发了一种用于普通狨猴的全皮层脑皮层电图阵列，该阵列连续覆盖了从枕极到颞极和额极的皮层几乎整个外侧表面。本方案描述了将该阵列慢性植入狨猴脑硬膜外腔的操作步骤。...

全皮层脑皮层电图阵列在普通狨猴中的慢性植入

本研究提供了一种立体定向神经外科植入手术的操作方案 在普通狨猴中使用微电极阵列。该方法可专门用于自由活动动物的电生理记录，但也可轻松适用于该物种的其他类似神经外科干预操作（例如，用于给药的套管或用于脑刺激的电极）。...

用于在普通狨猴（Callithrix jacchus）中植入微电极阵列的立体定位手术

本报告描述了基于转基因VGAT-Cre小鼠电点燃建立颞叶癫痫模型的方法。点燃后的VGAT-Cre小鼠可能有助于确定癫痫的病因，并可用于新型疗法的筛选。...

制备并植入电极以电点燃VGAT-Cre小鼠，建立颞叶癫痫模型

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DREAM 植入体：一种用于固定头部及自由活动小鼠慢性电生理记录的轻量化、模块化且经济高效的植入系统

本方案介绍了一种基于微控制器的行为学检测箱，通过采集置于箱体下方传感器的加速度数据，评估 Prepulse...

开发用于评估精神疾病动物模型中脉冲前抑制及神经活动的行为箱

本文介绍了一种利用新型模拟系统进行耳蜗植入电极插入训练的规范化方案，可在正常及畸形的内耳解剖结构中开展实际操作练习。...

针对不同内耳解剖结构优化电极阵列放置的耳蜗植入电极插入训练系统测试

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用于小鼠默认模式网络纵向多模态电生理记录的大尺寸可重复密封颅窗手术方案

学习利用甲醛固定人尸体模型进行皮层微电极阵列植入的外科训练方法。该方案为神经外科医生提供逼真的操作环境与解剖结构，帮助掌握关键手术步骤并提升临床技能。

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