Chirurgische Ausbildung für die Implantation der neokortikalen Mikroelektrode Arrays mit einem Formaldehyd-feste menschliche Kadaver-Modell

Mikroelektroden ermöglichen es, die Aktivität einzelner Neuronen im lebenden Gehirn aufzuzeichnen. Dank der jüngsten Entwicklungen in der Technik werden Mikroelektroden-Arrays für den Einsatz beim Menschen verfügbar. Sie können Zugang zu über hundert einzelnen Neuronen im menschlichen zerebralen Neokortex geben.

Bisher wurden Mikroelektroden-Arrays beim Menschen unter zwei Umständen eingesetzt. Als chronische Implantate zur Steuerung von Gehirn-Computer-Schnittstellen und als temporäre Implantate zur Untersuchung der neuronalen Grundlagen der Epilepsie bei Patienten, die sich einer Beurteilung mit intrakraniellem EEG unterziehen. Mikroelektroden-Arrays sind invasive Geräte, und ihre Implantation erfordert das Öffnen des Schädels und der Hirnhäute und das Einsetzen des Arrays in den Kortex.

Daher muss die Implantation von Mikroelektrodenarrays beim Menschen von einem Neurochirurgen durchgeführt werden. Zusätzlich zu seiner Expertise mit standardmäßigen neurochirurgischen Instrumenten und Techniken sollte der Chirurg in der Anästhesie der Mikroelektrodenarray-Implantation geschult sein. Wir haben das Trainingsverfahren mit einem formaldehydfixierten menschlichen Kadaver konzipiert.

Unser Ziel war es, den Chirurgen eine OP-ähnliche Umgebung, eine realistische Anatomie und die Möglichkeit zu bieten, die kritischen Schritte des Eingriffs zu üben und zu üben. Das hier gezeigte Protokoll gilt speziell für das Utah-Array. Dieses Gerät besteht aus einem 4 x 4 mm großen Array von 100 Mikroelektroden auf Siliziumbasis, einem Bündel von 100 einzeln isolierten Golddrähten und einem transkutanen Titansockel, der mit dem Computer verbunden ist, der die neuronalen Signale aufzeichnet.

Das vorliegende Tutorial-Video gibt einen Überblick über die Schritte des operativen Eingriffs, beginnend mit der Einrichtung, der Freilegung der kortikalen Oberfläche, der Fixierung des Sockels, der Implantation des Mikroelektrodenarrays selbst, der Positionierung eines Elektrokortikographie- oder ECOG-Gitters und dem Verschluss der Kraniotomie. Wählen Sie eine Probe aus, bei der es keine Vorgeschichte von Krankheiten oder Verletzungen des Kopfes, des Schädels und des Gehirns gibt. Falls verfügbar, wird eine postmortale CT-Untersuchung des Kopfes sicherstellen, dass keine signifikante intrakranielle Läsion vorliegt.

Befestigen Sie den Kopf in der Schädelklammer und decken Sie ihn mit OP-Abdecktüchern ab. Schnitt und Neigung der Kopfhaut und des Schläfenmuskels. Führen Sie eine große quadratische Kraniotomie durch, z. B. 5x5 Zentimeter.

Entfernen Sie den Knochenlappen und legen Sie die Dura mater frei. Reservieren Sie den Knochenlappen. Öffnen Sie die Dura mater auf drei Seiten der Kraniotomie.

Lehnen Sie es zurück und legen Sie die Arachnoidalmembran und die Oberfläche des zerebralen Neokortex frei. Der erste Schritt bei der Fixierung des Sockels besteht darin, einen kortikalen Gyrus auszuwählen, in den das Mikroelektrodenarray implantiert wird. Die Oberfläche des Gyrus muss annähernd flach sein, damit das Mikroelektrodenarray beim Einsetzen bündig mit ihm abschließt.

Und es darf kein sichtbares Blutgefäß auf der kortikalen Oberfläche vorhanden sein, an der das Mikroelektrodenarray eingeführt werden soll. Wählen Sie dann eine Stelle für die Fixierung des Sockels am oberen Rand der Kraniotomie in der Nähe des Hautschnitts. Lassen Sie genügend Spiel für das Drahtbündel, damit das Mikroelektrodenarray den Zielgyrus erreichen kann.

Schrauben Sie den Sockel mit Knochenschrauben auf den Außentisch des Schädelknochens neben der Kraniotomie. Während des gesamten Eingriffs ist es wichtig, immer darauf zu achten, dass das Mikroelektrodenarray nichts berührt, da es beschädigt werden oder die neokortikale Oberfläche zerreißen könnte. Halten Sie das Drahtbündel mit einer Pinzette mit kunststoff- oder gummibeschichteten Spitzen nahe an das Mikroelektrodenarray.

Positionieren Sie das Mikroelektrodenarray parallel zur Oberfläche des Zielgyrus. Biegen Sie das Drahtbündel nach Bedarf. Dies ist ein entscheidender Schritt.

Das Drahtbündel ist etwas steif und passt sich nicht ohne weiteres den Wünschen des Chirurgen an. Sorgfalt und Geduld sind erforderlich, um eine gute Ausrichtung des Mikroelektrodenarrays und der kortikalen Oberfläche zu erreichen. Hundeknochen-Titanbänder können verwendet werden, um das Drahtbündel am Schädelknochen zu befestigen und seinen Kurs in Richtung des Zielgyrus zu steuern.

Bringen Sie nun die Halterung des pneumatischen Impaktors in eine ungefähre Ausrichtung mit der Rückseite des Mikroelektrodenarrays. Die millimetergenauen Schrauben des pneumatischen Prallkörperhalters werden später für feinere Einstellungen verwendet. Befestigen Sie den pneumatischen Prallbrecher in seiner Halterung.

Überprüfen Sie die Verbindungen mit dem Steuergerät, und schalten Sie das Steuergerät dann ein. Bringen Sie nun den Impaktor mit den millimeterweiten Schrauben in eine enge Ausrichtung mit der Rückseite des Mikroelektrodenarrays. Verwenden Sie dann den Impaktor, um eine Reißzwecke auf die Rückseite des Mikroelektrodenarrays aufzubringen und sie in die kortikale Oberfläche zu drücken.

Vergewissern Sie sich, dass das Mikroelektrodenarray bündig mit der kortikalen Oberfläche abschließt. Positionieren Sie optional einen subduralen elektrokortikalen Rahm über der freiliegenden kortikalen Oberfläche. Sichern Sie es, indem Sie es mit der Dura mater vernähen.

Das Mikroelektrodenarray wird durch die ECOG-Klasse abgedeckt. Positionieren Sie die Dura mater über der freiliegenden kortikalen Oberfläche und vernähen Sie sie. Positionieren Sie den Knochenlappen neu.

Sichern Sie es mit Hundeknochen-Titanarmbändern. Stellen Sie sicher, dass das Drahtbündel des Mikroelektrodenarrays sowie die ECOG-Kabel nicht zwischen den Knochenkanten eingequetscht werden. Positionieren und vernähen Sie den Hautlappen.

Schließen Sie den Hautschnitt um den Hals des Sockels. Alternativ kann der Sockel die Kopfhaut durch einen separaten Stichschnitt in den Hautlappen verlassen. Wir verwendeten einen formaldehydfixierten menschlichen Kadaver, um Chirurgen das chirurgische Verfahren der Implantation eines Mikroelektrodenarrays in den menschlichen Großhirn-Neokortex zu ermöglichen.

Zu den Vorteilen gehören eine operationssaalähnliche Umgebung und eine realistische menschliche Anatomie sowie die Möglichkeit, wichtige Schritte des Verfahrens zu üben, einschließlich der Manipulation des Mikroelektrodenarrays selbst und der Verwendung des Impaktors. Die offensichtlichen Nachteile der Verwendung einer Leiche sind das Fehlen von Blut- und Hirnwirbelsäulenflüssigkeitszirkulation sowie das Fehlen von Hirnpulsen, die durch Atmung und Herzschlag verursacht werden. Zusammenfassend lässt sich sagen, dass die Praxis der Mikroelektrodenimplantation an einem formaldehydfixierten Leichnam für die Ausbildung von Neurochirurgen ausreichend ist.

Formaldehyd-fixierte Leichen sind leicht verfügbar und relativ kostengünstig. Ein solches Verfahren umgeht die ethischen und kostenbezogenen Fragen der Ausbildung von Chirurgen mit nichtmenschlichen Primaten.