硬膜下软皮质电图 （ECoG） 阵列植入和小型猪的长期皮质记录
2023年3月31日
在这里，我们提出了一种在小型猪模型中软硬膜下电极阵列的长期性能和安全性评估方法，描述了手术方法和工具、术后磁共振成像、听觉皮层的电生理学、植入物的电化学特性和死后免疫化学。
该模型可以成为慢性皮质装置在生物相容性、分辨率和信号质量方面的安全性和有效性验证标准。我们的程序描述了一种可重复且可扩展的方法，用于对设备安全性和有效性进行长期跟踪。这包括随时间推移的神经监测，以及体内和体外成像。
我们的方法将有助于感觉和运动皮质神经假体的发展。它是了解大规模皮层网络活动的工具。这种方法可用于基础神经科学，以研究不同皮质区域的功能连接。
也可应用于其他大型动物模型。手术方法需要一些练习，可以先在尸体或急性实验中获得。然后，测量应该相当简单。
首先，用手术刀沿着中线切开麻醉动物的皮肤。使用锉刀将肌肉和骨膜与骨骼分开，并放置扩张器以获得最佳通道。要进行开颅手术，请使用带有圆形切割钻头的骨钻钻出轮廓，同时考虑到 X 射线上测量的颅骨厚度。
用生理盐水冲洗钻孔位置，以免骨头过热。小心地均匀地钻孔轮廓，直到到达硬脑膜。在第一次突破时，完成轮廓的钻孔，直到它变薄到几乎可以突破为止。
然后用扁平刮刀将骨瓣一块地掰开，以开颅边缘为杠杆。要进行硬脑膜切开术，请使用六 oh 缝合套件中的针头，小心地刺穿并提起开颅手术前端或后端的硬脑膜，位于内侧和外侧之间，然后用刺刀切开切口。然后用一把扁平的小刮刀插入硬膜下腔，作为切割基座保护皮质。
通过同时使用两种工具在硬脑膜中创建一个前后裂隙。确保狭缝略大于植入物的宽度。将植入物放在硬脑膜狭缝上方，用小镊子在每个边缘依次滑动设备，硬膜下插入。
小心地握住设备的基座端并随着植入物前进，以免产生阻碍插入的张力。当连接器边缘位于狭缝顶部时停止插入。要将植入物固定到位，请在开颅手术边缘后或锚固翼中的电缆上放置一个钛桥，并使用适当的螺丝刀用一个或两个钛螺钉将其固定。
接下来，小心地将硬脑膜缝合在植入电缆周围。使用三 oh 可吸收缝合线和小针架，尽可能将两个硬脑膜边缘放在一起，而不会用缝合线撕裂薄膜。要进行骨瓣放置，请使用钛螺钉将钛桥固定在每个骨瓣的前部和后部。
将钛桥的末端拧到头骨上。接下来，计划脚踏板的方向，以确保所有腿都可以拧入头骨。然后拧入踏板的钛螺钉固定脚踏板，直至其牢固就位。
然后将底座拧到脚踏板上。用四根不可吸收的缝合线进行皮下缝合，缝合线相距三毫米。从基座开始，在切口的两侧向基座移动。
接下来，通过使用六哦不可吸收的缝合线缝合皮肤来关闭真皮层。缝合线相距五毫米。从基座开始，在切口的两侧向基座移动。
注意在两个皮瓣之间和基座边缘附近实现良好的组织贴合，以避免空隙。将无线头级插入动物后，通过抱住动物或通过喂食来分散动物的注意力，记录清醒的大脑信号。确保放置 amp在记录信号时，天线和外部扬声器靠近猪笼。
响应 800 赫兹音调突发刺激的无声刺激和听觉诱发电位的基线活动可以映射到电极阵列上。单个电极通道中的听觉诱发电位随时间推移显示，箭头标记"开启"响应，基线活动显示为比较。术中和术后进行体内成像，以评估大脑状态和植入物定位。
术中平面 X 射线验证了植入物的放置，并且没有通过不透射线的标记放置观察到的折叠。大脑表面完好无损，这在术后 MRI 中可以观察到。总体而言，使用这种植入物和基座系统，可以在植入期间进行全脑成像，以查看解剖结构或植入物周围是否存在液体和血液。
此外，本研究中使用临床电极作为比较器，但由于加热和安全问题，无法在 MRI 中成像，并且需要 CT 扫描。所呈现的管道能够进行全脑提取和切片，以对整个半球进行成像。整个组织切片的成像显示清晰的神经元层。
细胞在 20 倍的共聚焦成像中清晰定义，能够对炎症标志物进行精细研究。器件的电化学表征用于提取体外阻抗模量和相位，在植入的六个月中以 1 千赫兹的速度随时间推移进行跟踪。仔细选择动物的年龄和大小以避免在手术过程中打开鼻窦至关重要。
这将损害慢性实验。在进入硬脑膜或插入植入物时避免出血很重要。这将避免进一步的并发症和炎症反应。
一旦该模型到位，它就可以用于在迷你猪中进行自由行为的电生理学，并记录感兴趣皮层区域的活动。这种方法可用于收集生物安全数据，以便在开发将转化为人类的新型神经假体时提交临床试验。
概述
本研究提出了一种评估小型猪模型中软脑膜下电极阵列长期性能和安全性的方法。它详细介绍了手术方法、术后成像以及对植入物的电生理和电化学评估。
研究的主要组成部分
科学领域
- 神经科学
- 生物医学工程
- 电生理学
背景
- 神经科学研究中对慢性皮层装置的需求。
- 植入物生物相容性和信号质量的重要性。
- 神经装置长期监测的挑战。
- 使用大型动物模型进行装置测试。
研究目的
- 建立一种重复性的方法来评估皮层装置的长期安全性和有效性。
- 促进长期神经监测和成像。
- 为感觉和运动功能的神经假肢开发做出贡献。
使用的方法
- 在小型猪中进行软脑膜下电极阵列的手术植入。
- 术后磁共振成像（MRI）用于评估植入物。
- 听觉皮层活动的电生理记录。
- 随时间推移对植入物进行电化学表征。
主要结果
- 成功植入并长期监测脑信号。
- 体内成像确认了植入物的正确放置和大脑完整性。
- 装置的电化学特性在六个月内保持稳定。
- 通过成像清晰识别了神经元层和炎症标志物。
结论
- 这种方法为评估慢性皮层装置提供了一个稳健的框架。
- 它增强了对大规模皮层网络活动的理解。
- 该方法可适用于其他大型动物模型。
常见问题
Executive Industry Relevance
Long-term cortical recording in minipigs using soft subdural ECoG arrays addresses a critical translational gap for neuroprosthetic device validation. This model enables robust preclinical assessment of device safety, biocompatibility, and signal fidelity, supporting predictive confidence for human application. The approach strengthens portfolio decision-making at the interface of device discovery and regulatory advancement.
Strategic Applications in Biopharma R&D
Early Discovery & Target Validation
- Enables functional interrogation of cortical network activity in a large animal model.
- Supports biological de-risking for novel neuroprosthetic designs prior to clinical translation.
- Provides quantitative benchmarks for device-induced neural responses and tissue integration.
Screening & Assay Development
- Facilitates standardized, reproducible electrophysiological recordings over extended periods.
- Delivers high-resolution, quantitative readouts for device performance and safety metrics.
- Prepares validated animal models for downstream device screening and comparative studies.
Translational & Preclinical Research
- Aligns preclinical safety and efficacy data with regulatory expectations for human neuroprosthetic trials.
- Enables longitudinal monitoring of device-tissue interactions and inflammatory responses.
- Supports risk-adjusted advancement of cortical device candidates toward clinical evaluation.
Pipeline & Workflow Integration
This method integrates into the preclinical validation continuum, bridging device discovery, functional screening, and translational safety assessment.
- Discovery Biology: Provides a platform for hypothesis-driven testing of device impact on cortical function and connectivity.
- Screening: Offers reproducible, quantitative electrophysiological and electrochemical outputs for device comparison.
- Analytics: Enables longitudinal impedance tracking and imaging-based tissue analysis to inform device optimization.
- Translational Research: Delivers biosafety and efficacy data required for regulatory submissions and clinical trial readiness.
- Enterprise Reuse: Establishes a scalable, adaptable model for diverse neuroprosthetic and cortical device pipelines.
Operational & Enterprise Impact
- Scientific Value: Increases predictive confidence in device safety, function, and integration.
- Operational Value: Standardizes chronic implantation and monitoring workflows for reproducibility and scalability.
- Strategic Value: Informs go/no-go decisions and reduces late-stage biological risk for device portfolios.
- Portfolio Impact: Enables risk-adjusted prioritization and advancement of neurotechnology assets.
Implementation Considerations
- Requires surgical expertise in large animal neurosurgery and chronic device implantation.
- Demands access to MRI, X-ray, and electrophysiological recording infrastructure.
- Necessitates cross-team standardization of surgical, imaging, and analytical protocols.
- Adaptable to other large animal models with procedural modifications as needed.
- Careful animal selection and perioperative management are critical to avoid confounding complications.
