Waiting
Procesando inicio de sesión ...

Trial ends in Request Full Access Tell Your Colleague About Jove
JoVE Journal Bioengineering
Click here for the English version

Bioengineering

ממשק העצבים ההיקפי הרגנרטיבי של שרוול השריר להגברה של אותות עצביים היקפיים שלמים

Published: January 13, 2022 doi: 10.3791/63222
Automatic Translation
1, 1, 1, 1, 1,2, 1,2
1Department of Surgery, Section of Plastic Surgery, The University of Michigan Health System, 2Department of Biomedical Engineering, The University of Michigan, Ann Arbor

Summary

כתב יד זה מספק שיטה חדשנית לפיתוח ממשק עצבי היקפי ביולוגי המכונה ממשק עצבי היקפי רגנרטיבי של שרוול השרירים (MC-RPNI). מבנה כירורגי זה יכול להגביר את האותות המוטוריים של העצב ההיקפי הקשור אליו כדי להקל על זיהוי מדויק של כוונה מוטורית ושליטה פוטנציאלית במכשירי אקסוסקלטון.

Abstract

אקסוסקלטון רובוטי זכה לאחרונה לשבחים בתחום הרפואה השיקומית כשיטה מבטיחה לשיקום תפקודי עבור אותם אנשים עם חולשת גפיים. עם זאת, השימוש בהם נותר מוגבל במידה רבה למוסדות מחקר, הפועלים לעתים קרובות כאמצעי לתמיכה בגפיים סטטיות מכיוון ששיטות זיהוי מוטוריות נותרות לא אמינות. ממשקי עצבים היקפיים נוצרו כפתרון פוטנציאלי לחסרון זה; עם זאת, בשל האמפליטודות הקטנות מטבען, אותות אלה יכולים להיות קשים להבחנה מרעשי רקע, מה שמוריד את דיוק זיהוי המנוע הכולל שלהם. מכיוון שהממשקים הנוכחיים מסתמכים על חומרים אביוטיים, פירוק חומרים מובנה יכול להתרחש לצד תגובת רקמות גוף זרות לאורך זמן, מה שמשפיע עוד יותר על הדיוק שלהם. ממשק העצבים ההיקפי הרגנרטיבי של שרוול השרירים (MC-RPNI) תוכנן להתגבר על סיבוכים אלה שצוינו. המבנה מורכב מקטע של השתלת שריר חופשית המובטחת באופן היקפי לעצב היקפי שלם, ומתחדש ומתחדש על ידי העצב הכלול עם הזמן. בחולדות, מבנה זה הדגים את היכולת להגביר את פוטנציאל הפעולה המוטורי של עצב היקפי עד פי 100 מהערך הרגיל באמצעות יצירת פוטנציאלים של פעולת שרירים מורכבים (CMAPs). הגברת אות זו מאפשרת זיהוי דיוק גבוה של כוונת המנוע, מה שעשוי לאפשר ניצול אמין של התקני אקסוסקלטון.

Introduction

בארצות הברית לבדה, כ-130 מיליון בני אדם סובלים מהפרעות עצביות-שריריות ושלד-שריר, וכתוצאה מכך להשפעה כלכלית שנתיתשל יותר מ-800 מיליארד דולר. קבוצה זו של הפרעות היא בדרך כלל משנית לפתולוגיה בתוך מערכות העצבים, בצומת הנוירומוסקולרי, או בתוך השריר עצמו3. למרות מגוון המקורות הפתולוגיים, הרוב חולקים מידה מסוימת של חולשה קיצונית 1,3. למרבה הצער, חולשה זו היא לעתים קרובות קבועה בהתחשב במגבלות התחדשות רקמת העצבים והשריר, במיוחד במצב של טראומה קשה 4,5,6.

אלגוריתמים לטיפול בחולשת גפיים התמקדו באופן קלאסי באמצעים שיקומיים ותומכים, לעתים קרובות תוך הסתמכות על רתימת היכולות של הגפיים שנותרו שלמות (קנים, כסאות גלגלים וכו '). 7. אסטרטגיה זו נופלת, עם זאת, עבור אלה שחולשתם אינה מוגבלת לקיצוניות אחת. עם החידושים האחרונים בטכנולוגיות רובוטיות, פותחו מכשירי exoskeleton מתקדמים המשחזרים פונקציונליות גפיים לאלה החיים עם חולשת גפיים 8,9,10,11,12,13. אקסוסקלטון רובוטי זה הוא לעתים קרובות מכשירים לבישים המופעלים על ידי מכשירים לבישים שיכולים לסייע בייזום והפסקת תנועה או שמירה על מיקום הגפיים, ומספקים כמות משתנה של כוח שניתן להתאים אישית למשתמש 8,9,10,11,12,13 . התקנים אלה מסווגים כפאסיביים או אקטיביים בהתאם לאופן שבו הם מספקים סיוע מוטורי למשתמש: התקנים אקטיביים מכילים מפעילים חשמליים המגבירים את הכוח למשתמש, ואילו מכשירים פסיביים אוגרים אנרגיה מתנועות המשתמש על מנת לשחרר אותה בחזרה למשתמש בעת הצורך14. מכיוון שלמכשירים פעילים יש את היכולת להגדיל את יכולות ההספק של המשתמש, מכשירים אלה מנוצלים לעתים קרובות הרבה יותר בהגדרה של חולשת גפיים[14].

על מנת לקבוע את הכוונה המוטורית באוכלוסייה זו, אקסוסקלטון מודרני מסתמך בדרך כלל על אלגוריתמים לזיהוי תבניות שנוצרו מאלקטרומיוגרפיה (EMG) של שרירי גפיים דיסטליים 8,15,16,17 או מאלקטרואנצפלוגרפיה של פני השטח (sEEG) של המוח18,19,20 . למרות ההבטחה של שיטות זיהוי אלה, לשתי האפשרויות יש מגבלות משמעותיות המונעות שימוש נרחב במכשירים אלה. כאשר sEEG מזהה אותות ברמת מיקרו-וולט באופן טרנס-גולגולתי18,19,20, הביקורות מתמקדות לעתים קרובות בחוסר היכולת להבדיל בין אותות אלה לבין רעשי רקע21. כאשר רעשי הרקע דומים לאות ההקלטה הרצוי, הדבר מייצר יחסי אות לרעש (SNR) נמוכים, וכתוצאה מכך זיהוי מנוע לא מדויקוסיווג 22,23. זיהוי אותות מדויק מסתמך גם על מגע קרקפת יציב בעל עכבה נמוכה21, אשר יכול להיות מושפע באופן משמעותי מנוכחות של שיער גס/עבה, פעילות המשתמש ואפילוהזעה של 22,24. לעומת זאת, אותות EMG גדולים בכמה סדרי גודל באמפליטודה, מה שמאפשר דיוק זיהוי אותות מנועגדול יותר 15,18,25. עם זאת, יש לכך מחיר, שכן שרירים סמוכים יכולים לזהם את האות, מה שמקטין את דרגות החופש שניתן לשלוט בו על ידי המכשיר 16,17,25 וחוסר יכולת לזהות תנועת שרירים עמוקה25,26,27,28. והכי חשוב, EMG לא יכול לשמש כשיטת בקרה כאשר יש פגיעה משמעותית בשרירים והיעדר מוחלט של רקמה29.

על מנת לקדם את הפיתוח של אקסוסקלטון רובוטי, נדרש זיהוי עקבי ומדויק של כוונת המנוע של המשתמש המיועד. ממשקים המנצלים את מערכת העצבים ההיקפית נוצרו כטכניקת ממשק מבטיחה, בהתחשב בגישה הפשוטה יחסית שלהם ובסלקטיביות התפקודית שלהם. שיטות התממשקות העצבים ההיקפיות הנוכחיות יכולות להיות פולשניות או לא פולשניות ובדרך כלל נופלות באחת משלוש קטגוריות: אלקטרודות חוץ-עצביות 30,31,32,33, אלקטרודות תוך-גולגולתיות 34,35,36 ואלקטרודות חודרות37,38,39,40 . מכיוון שאותות עצביים היקפיים הם בדרך כלל ברמה של מיקרו-וולטים, זה יכול להיות קשה להבדיל בין אותות אלה לבין רעשי רקע משרעת דומים41,42, מה שמפחית את יכולות הדיוק הכוללות של זיהוי המנוע של הממשק. יחסי אות לרעש נמוכים אלה (SNR) מחמירים לעתים קרובות עם הזמן באופן משני להחמרה בעכבת האלקטרודה 43 הנוצרת מפירוק של המכשיר39,43, או מתגובת גוף זר מקומית המייצרת רקמת צלקת סביב המכשיר ו/או ניוון אקסונאלי מקומי 37,44. למרות שבדרך כלל ניתן לפתור חסרונות אלה באמצעות הפעלה חוזרת והשתלה של ממשק עצבי היקפי חדש, אין זה פתרון בר קיימא לטווח ארוך מכיוון שתגובות הקשורות לגוף זר ימשיכו להתרחש.

כדי להימנע מתגובות רקמות מקומיות אלה הנוצרות מאינטראקציה של עצבים היקפיים עם ממשקים אביוטיים, יש צורך בממשק המשלב מרכיב ביולוגי. כדי להתמודד עם חסרון זה, ממשק העצבים ההיקפיים הרגנרטיביים (RPNI) פותח כדי לשלב עצבים היקפיים מותמרים בגפיים השיוריות של אלה עם קטיעות עם התקנים תותבים45,46,47,48. ייצור ה- RPNI כרוך בהשתלה כירורגית של עצב היקפי מותמר לתוך מקטע של השתלת שריר חופשית אוטולוגית, עם רה-וסקולריזציה, התחדשות והתחדשות המתרחשים לאורך זמן. באמצעות יצירת פוטנציאל פעולה של שרירים מורכבים ברמת מילי-וולט (CMAPs), ה-RPNI מסוגל להגביר את אות רמת המיקרו-וולט של העצב המוכל שלו בכמה סדרי גודל, מה שמקל על זיהוי מדויק של כוונה מוטורית45,48,49. בעשור האחרון חלה התפתחות משמעותית של ה-RPNI, עם הצלחה ניכרת בהגברה והעברה של אותות עצביים מוטוריים יעילים הן בניסויים בבעלי חיים50,51 והן ב-47 ניסויים בבני אדם, מה שמקל על בקרת מכשירים תותבים ברמת דיוק גבוהה עם דרגות חופש מרובות.

אנשים עם חולשת גפיים אך עצבים היקפיים שלמים ייהנו באופן דומה מזיהוי מדויק של כוונה מוטורית דרך ממשקי עצב היקפיים על מנת לשלוט במכשירי אקסוסקלטון. מכיוון שה- RPNI פותח לשילוב עם עצבים היקפיים מועברים, כגון אצל אנשים עם קטיעות, היה צורך בשינויים כירורגיים. בהתבסס על ניסיון עם RPNI, פותח ממשק העצבים ההיקפי רגנרטיבי של שרוול השרירים (MC-RPNI). הוא מורכב מקטע דומה של השתלת שריר חופשי כמו ב-RPNI, ובמקום זאת הוא מאובטח באופן היקפי לעצב היקפי שלם (איור 1). עם הזמן, הוא מתחדש ומתחדש באמצעות הנבטה אקסונלית בטחונית, הגברה ותרגום של אותות עצביים מוטוריים אלה לאותות EMG הגדולים בכמה סדרי גודלשל 52. מכיוון שה- MC-RPNI הוא ביולוגי במקורו, הוא מונע את תגובת הגוף הזר הבלתי נמנעת המתרחשת עם ממשקי העצבים ההיקפיים הנמצאים כיום בשימוש52. יתר על כן, ה- MC-RPNI מקנה את היכולת לשלוט בדרגות חופש מרובות בו זמנית מכיוון שניתן למקם אותם על עצבים מנותקים דיסטלית לשרירים בודדים ללא דיבור צולב משמעותי, כפי שהוכח בעבר ב- RPNIs49. לבסוף, MC-RPNI יכול לפעול ללא תלות בתפקוד השרירים הדיסטליים כפי שהוא ממוקם על העצב הפרוקסימלי. בהתחשב ביתרונותיו על פני ממשקי העצבים ההיקפיים הנוכחיים, ה- MC-RPNI טומן בחובו הבטחה משמעותית לספק שיטה בטוחה, מדויקת ואמינה לבקרת אקסוסקלטון.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

כל ההליכים והניסויים בבעלי חיים בוצעו באישור הוועדה המוסדית לטיפול ושימוש בבעלי חיים של אוניברסיטת מישיגן (IACUC). זכרים ונקבות פישר F344 וחולדות לואיס (~200-300 גרם) בגיל 3-6 חודשים משמשים לעתים קרובות ביותר בניסויים, אך באופן תיאורטי ניתן להשתמש בכל זן. אם משתמשים בחולדות תורמות במקום בשתלי שריר אוטולוגיים, חולדות תורמות חייבות להיות איזוגניות לזן הניסיוני. לחולדות מותרת גישה חופשית למזון ולמים לפני ואחרי הניתוח. לאחר הערכות של נקודות קצה סופניות, המתת חסד מבוצעת בהרדמה עמוקה עם הזרקת אשלגן כלוריד תוך לבבית ואחריה שיטה משנית של פנאומוטורקס דו-צדדי.

1. הכנה ניסיונית של החולדה

  1. הרדימו את החולדה הניסיונית תוך שימוש בתמיסה של 5% איזופלורן בחמצן בטמפרטורה של 0.8-1.0 ליטר/דקה בתא אינדוקציה. לאחר שהושגה הרדמה מספקת ואושרה בהיעדר רפלקס הקרנית, הניחו את החולדה על חרוט אף עם איזופלורן שהונמך ל 1.75%-2.25% לתחזוקת הרדמה.
  2. להזריק תמיסה של 0.02-0.03 מ"ל קרפרופן (50 מ"ג/מ"ל) ב 0.2 מ"ל של מלח סטרילי עם מחט 27 גרם במישור התת עורי בין השכמות עבור משכך כאבים peri ו לאחר הניתוח.
  3. יש למרוח משחת עיניים סטרילית על שתי העיניים כדי למנוע כיבים בקרנית בזמן ההרדמה.
  4. באמצעות סכין גילוח חשמלי, לגלח את החלק הצדדי של הגפיים התחתונות הדו-צדדיות, המשתרע ממפרק הירך, מעל הירך ועד למשטח הגבי של הכפה.
  5. לעקר את האתר הכירורגי על ידי ניגוב תחילה עם כרית הכנה לאלכוהול, ולאחר מכן יישום תמיסת פובידון-יוד, המסתיים בניקוי סופי עם כרית הכנה חדשה לאלכוהול כדי להסיר את תמיסת הפובידון-יוד השיורית. חזור על תהליך ניקוי לסירוגין זה שלוש פעמים כדי לשמור על סטריליות.
    הערה: זה יכול להיות מגרה דרמטולוגית; ודא שרוב הפתרון יוסר.

2. הכנת שתל השריר

  1. הניחו את החולדה על כרית חימום מתחת למיקרוסקופ כירורגי עם בדיקת טמפרטורת גוף אינטרה-אוראלית לבחירה לניטור טמפרטורת הגוף. לשמור על איזופלוראן ב-1.75%-2.25% וחמצן ב-0.8-1.0 ליטר/דקה.
  2. בצע חתך אורכי לאורך ההיבט הקדמי של התורם הרצוי המשתרע ממש מעל הקרסול עד ממש מתחת לברך עם אזמל #15.
  3. יש לנתח את הרקמה התת-עורית שמתחתיה באמצעות מספריים חדים של הקשתית כדי לחשוף את השרירים הבסיסיים ואת הגידים הדיסטליים הסמוכים רק פרוקסימליים למפרק הקרסול. טיביאליס קדמי (TA) הוא הגדול והקדמי ביותר של השרירים; ניתן למצוא את שריר ה-extensor digitorum longus (EDL) רק עמוק ואחורי לשריר זה. לבודד את שריר ה-EDL ואת הגיד הדיסטלי שלו מהשרירים שמסביב.
  4. הקפידו על בידוד של הגיד הנכון על ידי החדרת שני השיניים של מלקחיים או מספריים קשתית מתחת לגיד הדיסטלי רק פרוקסימלי למפרק הקרסול. מפעילים לחץ כלפי מעלה על הגיד על ידי פתיחת מלקחיים או מספריים קשתית. תנועה זו אמורה לייצר הרחבה סימולטנית של כל הבהונות בו זמנית. אם מתרחשת דורסיפלקסיה מבודדת של הקרסול, נסיגת קרסול או דורסיפלקסיה של בוהן בודדת, הגיד הלא נכון בודד.
  5. לבצע טנוטומיה דיסטלית של שריר ה- EDL ברמת הקרסול עם מספריים חדים של הקשתית ולנתח את השריר ללא הרקמות הסובבות אותו הפועלות באופן פרוקסימלי לעבר מקורו הגידי.
  6. לאחר הדמיה של הגיד הפרוקסימלי, בצע טנוטומיה פרוקסימלית תוך שימוש במספריים חדים של הקשתית כדי לשחרר את השתל.
  7. חותכים את שני קצוות הגידים של שתל השריר וחותכים לאורך הרצוי עם מספריים קשתית חדה.
    הערה: שתלים בגודל 8-13 מ"מ נוצלו בהצלחה; עם זאת, האורך הנפוץ ביותר בשימוש הוא 10 מ"מ.
  8. בצד אחד של השתלת השריר, לבצע חתך אורכי לאורך כל האורך החתוך כדי להקל על מיקום העצב בתוך השתלת השריר ולספק מגע של העצב עם אנדומיסיום.
  9. מניחים את שתל השריר המוכן בתוך גזה לחה מלוחה כדי למנוע התייבשות רקמות.
  10. סגרו את העור מעל אתר התורם עם תפר כרומי 4-0 בצורה רצה.

3. בידוד והכנה של עצבים פרונאליים נפוצים

  1. מסמנים את החתך הניתוחי, שישתרע מקו ~5 מ"מ מהחריץ הסיאטי, ויתרחב עד נחות למפרק הברך. ודא שסימון זה נחות מעצם הירך שניתן למשש למטה ומתרחק ממנה.
  2. חתך דרך העור והרקמות התת עוריות לאורך קו החתך המסומן עם להב #15. בזהירות לחדור דרך biceps femoris fascia התחתון, תוך הקפדה לא להאריך דרך כל עומק השריר כמו עצב sciatic נמצא ממש מתחת.
  3. בעזרת מספריים קטנים בעלי קצוות קהים או המוסטאט, יש לנתח בזהירות דרך שריר הירך האחורי.
    הערה: העצב הסיאטי נע בחלל זה שמתחת לשרירי הזרוע, בכיוון זהה בערך לחתך המסומן על העור. ישנם שלושה ענפי עצב סיאטיים בולטים: סוראלי (האחורי ביותר והקטן ביותר מבין העצבים), טיביאלי (בדרך כלל הקדמי ביותר, אך עצב זה תמיד צולל עמוק למפרק הברך), ופרונאלי נפוץ (בדרך כלל ממוקם בין טיביאלי לסוראלי, תמיד נע מעל מפרק הברך).
  4. זהה את העצב הפרוניאלי הנפוץ (CP) ובודד אותו בזהירות מהעצבים הסובבים אותו באמצעות זוג מיקרו-מלקחיים ומיקרו-מספריים. הסר כל רקמת חיבור המקיפה את העצב מ-2 ס"מ האמצעיים של העצב. היזהרו לא לרסק את עצב ה-CP עם מלקחיים בתהליך זה, שכן פציעת ריסוק עלולה לשנות את תוצאות נקודת הקצה.
  5. מעל החלק המרכזי ביותר של עצב ה- CP המשוחרר, בצע חלון אפינוריאלי על ידי הסרת 25% מהאפינוריום לאורך העצב התואם את האורך הרצוי של השתלת השריר.
  6. כדי לבצע זאת יש להחזיק את האפינוריום הפרוקסימלי עם מיקרו-מלקחיים, לחתוך לתוך האפיניאוריום מיד מתחת עם מספריים מיקרו-דיסקציה, ולהסיר ~25% מהאפינוריום הנע באופן דיסטלי לאורך העצב. הקפד להסיר קטע זה בחתיכה אחת, כמו ניסיונות מרובים יכולים לגרום להסרה אפינוריאלית לא סדירה, להגדיל את הסיכון לפגיעה עצבית.
    הערה: רקמת העצב שמתחת לאפיניוריום תהיה בעלת מרקם דמוי גו; ציון איכות זו של עצב מבטיח שמישור הרקמה הנכון הוסר.

4. ייצור מבנה MC-RPNI

  1. הסר את השתל השריר מהגזה הלחה במלח והניח אותו מתחת לחלק המרכזי של עצב ה- CP שבו נוצר החלון האפינוריאלי. סובבו את העצב ב-180° כך שמקטע החלון האפינוריאלי יגע בשריר שלם ולא יעמוד בבסיס קו התפר הסופי.
  2. באמצעות 8-0 תפר ניילון, תפר את האפינוריום של עצב ה-CP הן באופן פרוקסימלי והן באופן דיסטלי לשתל השריר בתוך החריץ שנוצר בשלב 2.8 באמצעות תפרים פשוטים שנקטעו כדי להבטיח אפינוריום לאנדומיסיום.
    הערה: הניחו תפרים אלה, וודאו שהשריר נמצא באורך מנוחה תקין. מתיחה או דחיסה של השריר יותר מדי עלולה להשפיע על יכולות ההתחדשות והאיתות בהמשך.
  3. עוטפים את קצוות השתל השרירי המקיפים את העצב והתפר המאובטחים כעת במקומם תוך שימוש פשוט מופרע 8-0 תפרים מניילון (~ 4-6 תלוי באורך).
  4. לאחר השגת המוסטזיס, סגור את biceps femoris fascia מעל המבנה עם 5-0 תפר כרומי בצורה ריצה.
  5. סגור את העור מעל העור בצורה פועלת עם תפר כרומי 4-0.
  6. יש לנקות את אזור הניתוח עם כרית הכנה לאלכוהול ולמרוח משחה אנטיביוטית.
  7. להפסיק את ההרדמה האינהלציונית ולהניח את החולדה בכלוב נקי מבודד מחברי הכלוב ולאפשר לה להתאושש עם מזון ומים.
  8. לאחר שהחולדה התאוששה כראוי, החזירו אותה עם בני זוג לכלוב בכלוב נקי.
    הערה: מבנים אלה דורשים הבשלה של שלושה חודשים לכל הפחות כדי לייצר הגברה מספקת של אות עצבי.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

ייצור כירורגי MC-RPNI נחשב לכשל פרי-ניתוחי אם חולדות אינן שורדות את הופעתן מהרדמה כירורגית או מפתחות זיהום תוך שבוע מהניתוח. מחקרים קודמים הצביעו על כך שתקופת הבשלה של 3 חודשים תביא להגברת אות אמינה ממבנים אלה42,45,48,49. באותו זמן או לאחר מכן, חשיפה כירורגית של מבנים והערכה יכולה להתרחש. אם ייצור MC-RPNI הצליח, שרירים שעברו רה-וסקולריזציה אמורים להיות גלויים בקלות באתר ההשתלה המקורי של MC-RPNI (איור 2B). MC-RPNIs מוצלחים יתכווצו בנוסף לאחר גירוי עצבי פרוקסימלי (וידאו 1). לעיתים יכולות להופיע הצטלקות משמעותיות והשתלת שריר אטרופית (איור 2C), מה שמעיד על כשל של רה-וסקולריזציה/התחדשות שבדרך כלל משנית לגדולה מדי של שתל, טיפול לא תקין או פגיעה ברקמות פרי-ניתוחיות. שתלים אטרופיים אלה הם בדרך כלל בעלי מידה מסוימת של התכווצות על גירוי עצבי פרוקסימלי, אך מייצרים הגברת אות נמוכה יותר. באופן כללי, זה נחשב לכשל ייצור אם, עם החשיפה, MC-RPNI נמצא מנותק מן העצב או שאין לו התכווצות על גירוי עצבי פרוקסימלי.

ניתוח היסטולוגי של המבנים האלה אמור להדגים רקמת עצב ושריר בת-קיימא ללא פיברוזיס או הצטלקות משמעותיים (איור 3). אימונוהיסטוכימיה יכולה להתבצע גם כדי לאשר את נוכחותם של צמתים עצביים-שריריים פנימיים עם נוירופילמנט כסמן עצבי כללי בשילוב עם אלפא-בונגארוטוקסין כסמן לקולטני אצטילכולין פוסט-סינפטיים (איור 4). אם העצב המושתל על ידי המטרה לא מצליח להחדיר את מרכיב השריר של ה-MC-RPNI, חיסוני לא ידגים שום נבטי עצב מוטורי נלווים שחוצים את המבנה, וגם לא שום צמתים עצביים-שריריים פנימיים.

ניתן לבצע בדיקות אלקטרופיזיולוגיות על מבנים אלה בכל עת לאחר ההבשלה, כאשר התוצאות שפורסמו מדגימות אותות יציבים במיוחד ב- MC-RPNI בגיל 3 חודשים52 ועד 3 שנים ב- RPNIs בנבדקים אנושיים47. סכמות בדיקה אלקטרופיזיולוגיות יכולות להשתנות בהתאם לתחום העניין והציוד הזמין (איור 5), אך הערכות מבוצעות בדרך כלל עם מתן גירוי מרבי לעצב הפרוקסימלי באמצעות אלקטרודת וו ואחריה הקלטה של פוטנציאל פעולה של שרירים מורכבים (CMAPs) הנוצרים ב- MC-RPNI (טבלה 1 ). אלקטרודות הקלטה יכולות להשתנות בהתאם להעדפת המשתמש, אך תיקון/כרית אפימיסיאלית, בדיקה דו-קוטבית אפימיסיאלית ואלקטרודות דו-קוטביות חודרות שימשו בהצלחה רבה. משרעת העצבים המורכבת הממוצעת (CNAP) שנרשמה בעצב CP לאחר גירוי עצבי פרוקסימלי יותר הייתה 119.47 μV ± 14.87 μV. משרעת CMAP ממוצעת שנרשמה ב- MC-RPNI לאחר גירוי עצבי פרוקסימלי דומה של CP הייתה 3.28 mV ± 0.49 mV, וכתוצאה מכך הגברה של אות העצב מ- 11-87x, עם מקדם הגברה ממוצע כולל של 31.8 ± 7.70. צורות הגל האלה של CMAP שנוצרות דומות במראה שלהן לשרירים מקומיים, מה שתומך עוד יותר בכך שהן התחדשו על-ידי העצב הכלוא שלהן (איור 6B).

כדי להבטיח שייצור MC-RPNI אינו גורם להשפעה תפקודית שלילית, ניתן לבצע בדיקות אלקטרופיזיולוגיות וכוח שרירים על שריר בעל אינרבציה דיסטלית. רוב הבדיקות בוצעו על שריר ה-EDL האיפסילטרלי מכיוון שהוא נגיש בקלות לבדיקה ומופנם על ידי העצב הפרונאלי הנפוץ (ה-EDL הקונטרלטרלי נקטף לייצור MC-RPNI ולכן לא הוערך). CMAP שנוצר על ידי שריר EDL פיזיולוגי בעקבות גירוי עצבי CP פרוקסימלי נע בדרך כלל בין 20-30 mV52. בעת ביצוע בדיקה זו על חולדות עם MC-RPNIs מושתלים, EDL CMAPs אינם שונים באופן משמעותי, ממוצע 24.27 mV ± 1.34 mV. בנוסף, כאשר משווים צורות גל CMAP שנוצרו בין שתי הקבוצות האלה, הן דומות להפליא (איור 6C). כמדד נוסף לתפקוד השרירים הפנימיים באופן דיסטלי, ניתן לבצע בדיקת כוח שריר של השריר המעניין (טבלה 2). בעקבות גירוי עצבי פרוקסימלי של CP, הכוח הטטני המרבי הממוצע של EDL שנוצר בנבדקי MC-RPNI הוא 2451 mN ± 115 mN, בדומה לכוח הממוצע של 2497 mN ± 122 mN המתקבל משריר EDL בנבדקי בקרה52.

המטרה הכוללת של MC-RPNI היא להגביר את האות ברמת המיקרו-וולט של העצב המוכל שלו בכמה סדרי גודל, להגדיל את יחס ה-SNR ובכך להקל על זיהוי מדויק של כוונת המנוע. הגברה זו הוכחה כמתרחשת באופן אמין בטווח של 10-20 פעמים 52, כאשר ניסויים עדכניים יותר השיגו גורמי הגברה של מעל50 פעמים; לכן, אם מבנה אינו מספק רמה דומה של הגברה, הוא נחשב תת-אופטימלי. בדרך כלל ניתן לייחס תוצאות תת-אופטימליות לבעיות ברמת השתלת השריר ב-MC-RPNI, שכן התחדשות לא שלמה ולכן התחדשות עלולה לגרום ל-CMAP נמוך מהתקן, מה שמוריד את יכולות ההגברה הכוללות של המבנה. צורת הגל שנוצרת מוחלשת בדרך כלל, עם מראה חריג באופן ניכר. אם השתלת השריר נכשלת לחלוטין, האות הנמדד ברכיב השריר יכול להיות לא קיים (משני לרקמת צלקת משמעותית) או לשקף את ה-CNAP שנוצר בעצב במעלה הזרם.

Figure 1
איור 1: שרטוט המחשה של MC-RPNI. ניתן לראות את עצב המטרה ההיקפי בצהוב בתוך השתלת השריר שמסביב. ה-MC-RPNI מסוגל להגביר את פוטנציאל הפעולה המוטורי של העצב המוכל שלו ברמת המיקרו-וולטים באמצעות יצירת פוטנציאל פעולה של שרירים מורכבים (CMAPs) בגדלים שונים יותר. זה מקל על זיהוי כוונת מנוע המובחנת בקלות מרעשי רקע. אנא לחץ כאן כדי להציג גרסה גדולה יותר של נתון זה.

Figure 2
איור 2: MC-RPNI in vivo. ה-MC-RPNI מיוצר באמצעות השתלת שריר אוטולוגית מסוג extensor digitorum longus (EDL) שנקטפה מהאיבר הנגדי. לאחר מכן הוא מאובטח באופן היקפי לעצב הפרונאלי המשותף, עם דוגמה MC-RPNI המתוארת בלבן (A) בזמן הייצור הראשוני. אותו MC-RPNI מופיע שוב בתמונה ב-(B) בזמן הערכת נקודת הקצה 3 חודשים לאחר מכן. ל- MC-RPNI יש צבע דומה לזה של השריר שמסביב והוא שמר על חלק ניכר מהנפח. דוגמה להשתלת שריר אטרופית מוצגת ב-(C). ל- MC-RPNI יש מראה דומה לצלקת ולרקמת החיבור שמסביב והוא איבד נפח ניכר. אנא לחץ כאן כדי להציג גרסה גדולה יותר של נתון זה.

Figure 3
איור 3: היסטולוגיה של MC-RPNI. (A) H&E של חתך MC-RPNI עם M המציין את רכיב השריר, ו-N, את העצב. (B) חתך רוחב של שריר ה-EDL האיפסילטרלי בעל האינפורמציה הדיסטלית בחולדה עם MC-RPNI. (C) חתך רוחב של שריר EDL בחולדת בקרה ללא MC-RPNI. אנא לחץ כאן כדי להציג גרסה גדולה יותר של נתון זה.

Figure 4
איור 4: חיזוק חיסוני של ה-MC-RPNI. התמונה בפינה השמאלית העליונה מציגה חתך אורך של דגימת MC-RPNI עם גרעינים המסומנים בכחול (DAPI) ורקמת עצב בירוק (neurofilament). תקריב של MC-RPNI אחר מוצג בפינה הימנית התחתונה עם מספר צמתים עצביים-שריריים נוכחים (אלפא-בונגארוטוקסין באדום עבור קולטני אצטילכולין). אנא לחץ כאן כדי להציג גרסה גדולה יותר של נתון זה.

Figure 5
איור 5: מערך הערכה אלקטרופיזיולוגית של נקודות קצה. בדיקה אלקטרופיזיולוגית דורשת לפחות שלוש אלקטרודות: (1) אלקטרודת הארקה - לא בתמונה; (2) אלקטרודה דו קוטבית מגרה עצב; ו-(3) אלקטרודת הקלטה דו-קוטבית. במערך זה ניתן לראות אלקטרודת וו מגרה דו קוטבית בלבן מימין לתמונה הממוקמת על העצב הפרונאלי המשותף. אלקטרודת הבדיקה הדו קוטבית המקליטה ממוקמת על MC-RPNI הדיסטלי. לאחר מכן נרשמים אותות מה-MC-RPNI בעקבות גירוי עצבי פרוקסימלי באלקטרודת הוו עד להשגת CMAPs מקסימליים. אנא לחץ כאן כדי להציג גרסה גדולה יותר של נתון זה.

Figure 6
איור 6: צורות גל אלקטרופיזיולוגיות סטנדרטיות. גרפים אלה מתארים צורות גל טיפוסיות שנלכדו במהלך ניתוח אלקטרופיזיולוגי של חולדה עם MC-RPNI מושתל בעקבות גירוי עצבי פרוקסימלי של CP. (A) בכחול, מופיעה תמונה של CNAP (*) שנרשמה מהעצב CP פרוקסימלי ל-MC-RPNI. חפץ המערכת מסומן ב- (**). (B) ה-CMAP המייצג נרשם מה-MC-RPNI בעקבות ה-CNAP שנוצר ב-(A). (C) צורת הגל של CMAP שנוצרה נרשמת משריר ה-EDL האיפסילטרלי בעל האינפורמציה הדיסטלית. אנא לחץ כאן כדי להציג גרסה גדולה יותר של נתון זה.

תעודת חולדה משקל חולדה (גרם) משרעת CNAP עצבית (μV) משרעת MC-RPNI CMAP (MV) גורם הגברת אות עצבי חביון (מילישנייה)
1 421 123.3 1.4 11.35 0.8
2 368 65.6 1.6 24.39 1.05
3 390 110.7 4.5 40.65 1.45
4 482 217.2 3.61 16.62 0.95
5 417 144.6 1.39 9.61 0.9
6 417 156.1 3.4 21.78 0.95
7 381 82 7.2 87.8 0.9
8 393 87.9 2.3 26.17 1.15
9 378 87.8 4.2 47.84 1
10 459 נ/א 5.3 נ/א 1.55
11 380 נ/א 2.1 נ/א 0.75
12 415 נ/א 2.4 נ/א 1

טבלה 1: ניתוח אלקטרופיזיולוגי של נקודות קצה של MC-RPNIs. מבחר תוצאות שהתקבלו מחולדות שעברו ניתוח נקודות קצה ב-3 (חולדות 1-9) ו-6 חודשים (חולדות 10-12) חודשים לאחר הייצור. בעקבות גירוי עצבי פרוניאלי משותף פרוקסימלי (CP), תועדו פוטנציאלים של פעילות עצבית מורכבת (CNAPs) בעצב CP במורד הזרם, ופוטנציאלים של פעולת שרירים מורכבים (CMAPs) נרשמו ב-MC-RPNI במורד הזרם. ניתן לראות את מקדם ההגברה עבור כל בדיקה בעמודה מימין. הערה: עבור חולדות 10-12, לא ניתן היה למדוד את ה-CNAP הפרוקסימלי ל-MC-RPNI בהינתן מגבלות אנטומיות שנבעו מייצור ה-MC-RPNI קרוב מדי להמראה של עצב ה-CP מהעצב הסיאטי. משרעת CNAP הממוצעת שנרשמה הייתה 119.47 μV ± 14.87 μV ואילו משרעת CMAP הממוצעת הייתה 3.28 mV ± 0.49 mV, מה שהפיק מקדם הגברה ממוצע של 31.8 ± 7.70.

תעודת חולדה עווית מקסימלית (mN) V מקסימום טטאני (mN) V הרץ לו (מ"מ)
1 927.13 3 2668.29 3 80 30.64
2 768.22 3.5 2677.85 3.5 80 31.15
3 646.99 3 2164.84 3 80 28.36
4 863.62 3.5 3109.67 3.5 150 31.07
5 774.48 1.5 2723.24 2 80 28.83
6 558.19 4 1930.22 4 120 29.46
7 753.97 1 2605.64 1 100 31.13
8 768.38 2 2897.08 2 100 31.86
9 559.9 1.5 1984.17 1.5 100 31.11
10 600.6 5.5 2416.09 5.5 80 32.51
11 770.27 5.5 2496.89 5.5 80 31.89
12 672.22 2.5 1740.04 2.5 50 31.34

טבלה 2: ניתוח כוח שרירים של חולדות עם MC-RPNIs מושתלים. בדיקת כוח השרירים נערכה על שריר ה-extensor extensor digitorum longus (EDL) כדי לקבוע אם ל-MC-RPNI הייתה השפעה כלשהי על תפקוד השרירים הפנימיים באופן דיסטלי. בעקבות גירוי עצבי פרוקסימלי של CP, נרשמו מעקבי כוח וחושב כוח פעיל הרלוונטי למבחן העניין. Lo הוגדר כאורך המנוחה האופטימלי של השריר שהפיק כוח מרבי. כוח עווית מקסימלי ממוצע שתועד מחולדות עם MC-RPNIs מושתלים היה 722.0 mN ± 32.11 mN והכוח הטטני המקסימלי הממוצע שתועד היה 2451 mN ± 115 mN, בדומה לערכים שהתקבלו מחיות בקרה (עווית מקסימלית: 822.2 mN ± 41.11 mN; טטניה מקסימלית: 2497 mN ± 122 mN).

סרטון 1: התכווצות MC-RPNI בעקבות גירוי חשמלי עצבי פרוקסימלי. בעקבות גירוי חשמלי עצבי פרוקסימלי המסופק על ידי אלקטרודת הוו מימין, ניתן לראות התכווצות שרירים נראית לעין של MC-RPNI במרכז. אנא לחץ כאן כדי להוריד סרטון זה.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

ה- MC-RPNI הוא מבנה חדשני המאפשר הגברה של פוטנציאל הפעולה של עצב מוטורי היקפי שלם על מנת לשלוט במדויק במכשיר אקסוסקלטון. באופן ספציפי, MC-RPNI מעניק יתרון מסוים לאותם אנשים עם חולשת גפיים הנגרמת על ידי מחלת שרירים משמעותית ו / או היעדר שריר שבו אותות EMG לא ניתן לרשום. צמצום תפקוד השרירים שכבר נפגע יהיה הרסני באוכלוסייה זו; עם זאת, ל- MC-RPNI יש את היכולת לספק את הגברת האות העצבי מבלי לפגוע בשריר52 בעל הפנימיות הדיסטלית (טבלה 1 וטבלה 2). אצל אותם אנשים עם מחלת נוירונים מוטוריים מבוססי שרירים או נוירונים מוטוריים נמוכים יותר, עצבים תחושתיים היקפיים בדרך כלל אינם מושפעים מתהליך המחלה53. כאשר התחושה נשמרת, חובה לשמור על העצב בהמשכיות ולהימנע מפציעה, ונראה כי ה-MC-RPNI מונע כל פגיעה במטרות הפנימיות הדיסטליות בכללותן, בהתבסס על היסטולוגיה (איור 3), אימונוהיסטוכימיה (איור 4) והערכת תפקוד השרירים (טבלה 2).

ה- MC-RPNI מסתמך על הרעיון של הנבטה אקסונלית בטחונית של העצב ההיקפי הכלול, מושג שהוכח בקלות הן במחקר קודם52 והן בטכניקה הכירורגית המתוארת היטב של נוירוראפי54,55 מקצה לצד. כדי להבטיח שחזור נאות של השתלת השריר במהלך ייצור MC-RPNI ולמנוע פגיעה במטרות הפנימיות הדיסטליות, טיפול קפדני בעצב הוא הכרחי. במהלך כריתת העצב, ניתן להימנע מטראומה באמצעות טיפול תמציתי באפינוריום או ברקמת החיבור בלבד. עם זאת, הפוטנציאל לפגיעה עצבית בייצור MC-RPNI הוא הגבוה ביותר במהלך שלב החלון האפינוריאלי. כדי למנוע טרנסקציה חדה של סיבי עצב, מומלץ לבצע שלב זה רק תחת מיקרוסקופ כירורגי רב עוצמה (לפחות 5x) לאחר מספר הזדמנויות לתרגול על חולדות שאינן ניסיוניות. צעד זה יכול לקחת מספר ניסיונות לשלוט, ולא מומלץ לבצע תחילה שלב זה על חולדות המיועדות לניתוח ניסיוני. תיאורטית, נוירומה בהמשכיות היא סיבוך שעלול להתרחש בעקבות ייצור MC-RPNI, במיוחד בנוכחות טראומה עצבית משמעותית. עם זאת, סיבוך זה לא נתקל במשך שנים רבות בפיתוח.

רוב הניסויים שבוצעו עם MC-RPNI בוצעו על העצב הפרוניאלי המשותף בהתחשב בקלות הגישה היחסית שלו, כמו גם בהערכה של מטרות אינרבטיביות דיסטליות. תיאורטית, כל עצב היקפי עם רכיב מוטורי יכול להיות מוחלף. אקסונים חושיים טהורים יכולים לשמש כרקמת שריר שיש לה מרכיבים חושיים (סיבי ציר, איברי גיד גולג'י וכו'), אך ניסויים אלה לא נערכו עד כה, וקשה לחזות את התוצאות. עבור רכיב השתלת השריר של MC-RPNI, השתלים נעים בין 20-150 מ"ג בהתאם לאורך השתל ולגיל החולדה, וכל שתל שריר בגודל דומה יכול להיות מנוצל בהצלחה. התחדשות השתלת שריר מסתמכת בחלקה על היכולת להתאושש, ושתלים גדולים/עבים נוטים יותר לעבור נמק ופיברוזיס, מה שמשפיע על יכולת האיתות הכוללת56. מחקרים שבוצעו במיוחד על RPNIs הצביעו על התחדשות שרירים מוצלחת ותחזוקה של הגברת אותות בשתלים עד 300 מ"ג56. בנוגע לגזע החולדות, לואיס ופישר מומלצים מכיוון שרוב החולדות האחרות המשמשות למטרות ניסוי ידועות כמשחיתות את עצמן משניות לפגיעה עצבית57,58.

בסך הכל, החוויות הנוכחיות עם ייצור MC-RPNI הניבו שיעור כישלון של <5%. כשלי המבנה הנפוצים ביותר שנראים מיוחסים בדרך כלל למקטע השתלת השריר, כאשר בחשיפה הם מצוינים כאטרופיים או מנותקים מהעצב. MC-RPNIs מנותקים נובעים בדרך כלל מתפירה לא מספקת בזמן הייצור, מה שמוביל ל"פתיחה" של שתל השריר העטוף בהיקף ובסופו של דבר לשחול חלקי של העצב המכיל. עם זאת, MC-RPNIs אלה בדרך כלל שומרים על מידה מסוימת (אם כי מופחתת) של יכולות הגברת אות כמו חלק מהשתל עדיין נשאר מאובטח לעצב. MC-RPNIs אטרופיים ברורים בחשיפה מכיוון שהם חסרים את המראה האופייני של שרירי השלד, שלעתים קרובות לא ניתן להבחין ביניהם לבין רקמת צלקת עם צבע ורוד בהיר עד אפור/לבן (איור 2C). ניוון של רקמת השריר יכול לנבוע מגורמים רבים, כולל זיהום, גדול/עבה מדי של השתלת שריר, אנמיה חריפה של איבוד דם, פגיעה בשרירים ו/או בעצבים במהלך הייצור, כמו גם כשל של תפרים אפינוריאליים המבטיחים גרימת בוכנה של השתל על העצב, מה שמפחית את ה-revascularization. בבדיקות אלקטרופיזיולוגיות, MC-RPNIs אטרופיים מייצרים בדרך כלל הגברה מועטה עד אפסית של אותות; אם משתמשים באלקטרודות בעלות רגישות גבוהה, ניתן להקליט הקלטות של ה-CNAP של העצב התחתון דרך השריר האטרופי. אם נתראה ניוון משמעותי במספר נבדקים ניסיוניים, יש לחזור לפרוטוקול ולקבוע אילו שלבים דורשים התאמה. כמובן, אם לא נרשמים אותות בעת ביצוע הערכות, חשוב לפתור בעיות ולא להניח שהמבנה הוא כישלון. לפתרון בעיות בהתקנת המכשיר יש חשיבות עליונה, שכן חוסר אותות יכול להיות משני לאלקטרודות פגומות (ממליץ על עכבה <16 Ω), תצורת אלקטרודות שגויה, או אפילו גירוי עצבי פרוקסימלי לקוי (עצבים מסוימים דורשים גירוי חשמלי של 0.5-5 mA כדי להתחיל לייצר CMAPs במורד הזרם MC-RPNI).

השיטות הנוכחיות של התממשקות אדם-מכונה לשימוש באקסוסקלטון אצל אנשים עם חולשת גפיים מסתמכות בדרך כלל על הקלטות המתקבלות מעצבים היקפיים או EMG מרקמת שריר. כפי שנדון קודם לכן, MC-RPNI מקנה יתרון משמעותי בכל הנוגע לבקרת exoskeleton עבור אותם אנשים עם רקמת שריר פגומה או נעדרת כאשר הקלטות EMG אינן אפשריות29. ה- MC-RPNI מציע גם יתרון על פני אפשרויות התממשקות העצבים ההיקפיים הנוכחיים, כולל אלקטרודות חוץ-עצביות 30,31,32,33, אלקטרודות תוך-פאסיקולריות 34,35,36 ואלקטרודות חודרות37,38,39,40 . מכיוון שאותות עצביים אינהרנטיים הם בדרך כלל ברמה של מיקרו-וולטים, ל- MC-RPNI יש את היכולת להגביר את האותות העצביים הללו מעל 30 פעמים, מה שמקל על זיהוי מדויק של כוונת המנוע מרעשי רקע ובכך מאפשר בקרת אקסוסקלטון אמינה. בשימוש כרוני, השיטות הנוכחיות המבוססות על אלקטרודות מתקשות בסופו של דבר להתגבר על סיבוכים הטבועים באריכות ימים של חומר in vivo ותגובת גוף זרה, סיבוכים שה- MC-RPNI מסוגל להימנע מהם בהתחשב במקור הביולוגי שלו. עם הזמן, תגובות גוף זרות אלה גורמות לנזק לרקמות, להיווצרות רקמת צלקת, ובסופו של דבר לדה-מיאלינציה אקסונלית וניוון. ניסויים שנערכו עד שישה חודשים לא חשפו כל עדות לפגיעה עצבית, צלקת או פיברוזיס/ניוון של רקמת שריר בעלת אינרבטורציה דיסטלית (איור 3), ובשילוב עם יציבות RPNI שצוינה אצל נבדקים אנושיים במשך תקופת תצפית של שלוש שנים47, סביר להסיק כי MC-RPNIs יכולים להתממשק בהצלחה עם עצבים היקפיים בקנה מידה של שנים עד עשרות שנים.

ה- MC-RPNI מיועד לשמש לשליטה באקסוסקלטון במגוון פתולוגיות, כולל אלה המתעוררות ברמת מערכת העצבים כמו גם השריר עצמו. לדוגמה, פתולוגיות מבוססות שרירים יכולות לכלול מצבים הנעים בין טראומה, ניוון שרירים, מיופתיות דלקתיות ומיאסטניה גרביס. למרות הנזק השרירי העמוק והחולשה שיכולים לגרום למצבים אלה 1,2,3, לרובם יש נוירונים מוטוריים נמוכים מתפקדים שיאפשרו שחזור MC-RPNI וזיהוי כוונה מוטורית. עבור אותם מצבים הגורמים למחלת שרירים נרחבת (ניוון שרירים וכו'), בהחלט ייתכן שמרכיב השתלת השריר החופשי עלול להיפגע, ובכך להגביל את פוטנציאל ההגברה. עם זאת, בהתחשב בכך שזיהוי אפילו של יחידה מוטורית אחת (10-400 μV)59 יכול לספק הגברה של אותות עצביים היקפיים, סביר להניח שה- MC-RPNI יכיל מספיק יחידות מוטוריות בתוך האזור הקטן והמוגדר שלו כדי להקל על בקרת האקסוסקלטון באוכלוסייה זו. מגבלה משמעותית של המבנה, עם זאת, היא באותן פתולוגיות המביאות לירידה משמעותית בתאי עצב מוטוריים עליונים ו/או תחתונים, כגון שבץ, פגיעה בחוט השדרה, ניוון שרירים בעמוד השדרה (SMA) וטרשת אמיוטרופית צידית (ALS). ללא אוכלוסייה מתאימה של סיבי עצב היקפיים כדי להחיות מחדש את MC-RPNI, הוא אינו יכול להתחדש ולספק הגברת אותות, מה שמוביל לכשל בבנייה. ניסויים מבוצעים כדי לקבוע את האוכלוסייה המינימלית של סיבי עצב היקפיים פונקציונליים הדרושים לתפקוד MC-RPNI נאות.

קודמו של MC-RPNIs, ה-RPNI, הראה הצלחה לאין שיעור עם שליטה מדויקת בתותבות מופעלות אצל נבדקים אנושיים באמצעות הגברה והקלטה של אותות המופקים מעצבים היקפיים מותמרים. בעיקר, הוא מסוגל לעשות זאת בקנה מידה של חודשים עד שנים ללא הפעלה חוזרת או כיול מחדש של המכשיר התותב. תלונות נפוצות עם השיטות הנוכחיות של התממשקות אדם-מכונה לבקרת exoskeleton מתמקדות בזיהום אותות מדיבור צולב והצורך בכיול מחדש תכוף בשיטות התלויות ב- EMG26,27,28, וחוסר יציבות בממשק העצבים ההיקפי לאורך זמן המצריך ניתוחים משניים37,39,44 . ה- MC-RPNI, לעומת זאת, מסוגל להימנע מסיבוכים אלה בהתחשב בהרכב הביולוגי שלו, כמו גם ביכולות המיקום האסטרטגיות שלו. חובה לבסס הבנה מעמיקה של מבנה זה על מנת לסלול את הדרך לשימוש בנבדקים אנושיים ולשימוש נרחב בסופו של דבר במכשירי אקסוסקלטון מדויקים ואמינים אצל אלה החיים עם חולשת גפיים.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

למחברים אין גילויים.

Acknowledgments

המחברים מודים לג'אנה מון על ניהול המעבדה המומחה והסיוע הטכני שלה ולצ'ארלס הוואנג על מומחיותו בהדמיה. הניסויים במאמר זה מומנו בחלקם באמצעות מענקי הקרן לכירורגיה פלסטית ל- SS (3135146.4) כמו גם המכון הלאומי לבריאות הילד והתפתחות האדם תחת פרס מספר 1F32HD100286-01 ל- SS, והמכון הלאומי לדלקת פרקים ומחלות שלד ושריר ועור של המכונים הלאומיים לבריאות תחת פרס מספר P30 AR069620.

Materials

Name Company Catalog Number Comments
#15 Scalpel Aspen Surgical, Inc Ref 371115 Rib-Back Carbon Steel Surgical Blades (#15)
2-N-thin film load cell (S100) Strain Measurement Devices, Inc SMD100-0002 Measures force generated by the attached muscle
4-0 Chromic Suture Ethicon SKU# 1654G P-3 Reverse Cutting Needle
5-0 Chromic Suture Ethicon SKU# 687G P-3 Reverse Cutting Needle
8-0 Monofilament Suture AROSurgical T06A08N14-13 Black polyamide monofilament suture on a threaded tapered needle
Experimental Rats Envigo F344-NH-sd Rats are Fischer F344 Strain
Fine Forceps - mirror finish Fine Science Tools 11413-11 Fine tipped forceps with mirror finish ideal for handling delicate structures like nerves
Fluriso (Isofluorane) VetOne 13985-528-40 Inhalational Anesthetic
Force Measurement Jig Red Rock n/a Custom designed force measurement jig that allows for immobilization of hindlimb to allow for accurate muscle force recording
MATLAB software Mathworks, Inc PR-MATLAB-MU-MW-707-NNU Calculates active force for each recorded force trace from passive and total force measurements
Nicolet Viasys EMG EP System Nicolet MFI-NCL-VIKING-SELECT-2CH-EMG Portable EMG and nerve signal recording system capable of simultaneous 2 channel recordings from nerve and/or muscle
Oxygen Cryogenic Gases UN1072 Standard medical grade oxygen canisters
Potassium Chloride APP Pharmaceuticals 63323-965-20 Injectable form, 2 mEq/mL
Povidone Iodine USP MediChoice 65517-0009-1 10% Topical Solution, can use one bottle for multiple surgical preps
Puralube Vet Opthalmic Ointment Dechra 17033-211-38 Corneal protective ointment for use during procedure
Rimadyl (Caprofen) Zoetis, Inc. NADA# 141-199 Injectable form, 50 mg/mL
Stereo Microscope Leica Model M60 User can adjust magnification to their preference
Surgical Instruments Fine Science Tools Various User can choose instruments according to personal preference or from what is currently available in their lab
Triple Antibiotic Ointment MediChoice 39892-0830-2 Ointment comes in sterile, disposable packets
Vannas Spring Scissors - 2mm cutting edge Fine Science Tools 15000-04 Curved micro-dissection scissors used to perform the epineurial window
VaporStick 3 Surgivet V7015 Anesthesia tower with space for isofluorane and oxygen canister
Webcol Alcohol Prep Coviden Ref 6818 Alcohol prep wipes; use a new wipe for each prep

DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

  1. Andersson, G. S. The burden of musculoskeletal diseases in the United States : prevalence, societal, and economic cost. American Academy of Orthopaedic Surgeons. , Rosemont, IL. (1942).
  2. Yelin, E. H., Weinstein, S., King, T. The burden of musculoskeletal diseases in the United States. Seminars in Arthritis and Rheumatism. 46 (3), 259-260 (2016).
  3. McDonald, C. M. Clinical Approach to the Diagnostic Evaluation of Hereditary and Acquired Neuromuscular Diseases. Physical Medicine and Rehabilitation Clinics of North America. 23 (3), 495-563 (2021).
  4. Sass, F. A., et al. Immunology Guides Skeletal Muscle Regeneration. International Journal of Molecular Sciences. 19 (3), 835 (2018).
  5. Bruggeman, K. F., et al. Harnessing stem cells and biomaterials to promote neural repair. British Journal of Pharmacology. 176 (3), 355-368 (2019).
  6. Vijayavenkataraman, S. Nerve guide conduits for peripheral nerve injury repair: A review on design, materials and fabrication methods. Acta Biomaterialia. 106, 54-69 (2020).
  7. O'Dell, M. W., Lin, C. C., Harrison, V. Stroke rehabilitation: strategies to enhance motor recovery. Annual Review of Medicine. 60, 55-68 (2009).
  8. Ambrosini, E., et al. The combined action of a passive exoskeleton and an EMG-controlled neuroprosthesis for upper limb stroke rehabilitation: First results of the RETRAINER project. International Conference on Rehabilitation Robotics (ICORR). , 56-61 (2017).
  9. Veerbeek, J. M., et al. Effects of robot-assisted therapy for the upper limb after stroke. Neurorehabilitation & Neural Repair. 31 (2), 107-121 (2017).
  10. Heo, P., et al. Current hand exoskeleton technologies for rehabilitation and assistive engineering. Journal of Precision Engineering and Manufacturing. 13 (5), 807-824 (2012).
  11. Kwakkel, G., Kollen, B. J., Krebs, H. I. Effects of robot-assisted therapy on upper limb recovery after stroke: A systematic review. Neurorehabilitation & Neural Repair. 22 (2), 111-121 (2007).
  12. Brewer, B. R., McDowell, S. K., Worthen-Chaudhari, L. C. Poststroke Upper Extremity Rehabilitation: A Review of Robotic Systems and Clinical Results. Topics in Stroke Rehabilitation. 14 (6), 22-44 (2007).
  13. Kalita, B., Narayan, J., Dwivedy, S. K. Development of active lower limb robotic-based orthosis and exoskeleton devices: A systematic review. International Journal of Social Robotics. 13, 775-793 (2021).
  14. Bosch, T., et al. The effects of a passive exoskeleton on muscle activity, discomfort and endurance time in forward bending work. Applied Ergonomics. 54, 212-217 (2016).
  15. Secciani, N., et al. A novel application of a surface ElectroMyoGraphy-based control strategy for a hand exoskeleton system: A single-case study. International Journal of Advanced Robotic Systems. 16 (1), 1729881419828197 (2019).
  16. Bützer, T., et al. PEXO - A pediatric whole hand exoskeleton for grasping assistance in task-oriented training. IEEE 16th International Conference on Rehabilitation Robotics (ICORR). , 108-114 (2019).
  17. Meeker, C., et al. EMG pattern classification to control a hand orthosis for functional grasp assistance after stroke. IEEE International Conference on Rehabilitation Robotics (ICORR). , 1203-1210 (2017).
  18. Witkowski, M., et al. Enhancing brain-machine interface (BMI) control of a hand exoskeleton using electrooculography (EOG). Journal of NeuroEngineering and Rehabilitation. 11 (1), 165 (2014).
  19. Cantillo-Negrete, J., et al. Motor imagery-based brain-computer interface coupled to a robotic hand orthosis aimed for neurorehabilitation of stroke patients. Journal of Healthcare Engineering. 2018, 1624637 (2018).
  20. Bhagat, N. A., et al. Design and optimization of an EEG-based brain machine interface (BMI) to an upper-limb exoskeleton for stroke survivors. Frontiers in Neuroscience. 10, 122 (2016).
  21. Habibzadeh Tonekabony Shad, E., Molinas, M., Ytterdal, T. Impedance and noise of passive and active dry EEG electrodes: A review. IEEE Sensors Journal. 20 (24), 14565-14577 (2020).
  22. Tariq, M., Trivailo, P. M., Simic, M. EEG-based BCI control schemes for lower-limb assistive-robots. Frontiers in Human Neuroscience. 12, 312-312 (2018).
  23. Gwin, J. T., Ferris, D. High-density EEG and independent component analysis mixture models distinguish knee contractions from ankle contractions. Annual International Conference of the IEEE Engineering in Medicine and Biology Society. 2011, 4195-4198 (2011).
  24. Tariq, M., Trivailo, P. M., Simic, M. Classification of left and right foot kinaesthetic motor imagery using common spatial pattern. Biomedical Physics & Engineering Express. 6 (1), 015008 (2019).
  25. Ryser, F., et al. Fully embedded myoelectric control for a wearable robotic hand orthosis. iInternational Conference on Rehabilitation Robotics (ICORR). , 615-621 (2017).
  26. Reeves, J., Starbuck, C., Nester, C. EMG gait data from indwelling electrodes is attenuated over time and changes independent of any experimental effect. Journal of Electromyography and Kinesiology. 54, 102461 (2020).
  27. Huang, J., et al. Control of upper-limb power-assist exoskeleton using a human-robot interface based on motion intention recognition. IEEE Transactions on Automation Science and Engineering. 12 (4), 1257-1270 (2015).
  28. Rodrigues, C., et al. Comparison of intramuscular and surface electromyography recordings towards the control of wearable robots for incomplete spinal cord injury rehabilitation. 2020 8th IEEE RAS/EMBS International Conference for Biomedical Robotics and Biomechatronics (BioRob). , 564-569 (2020).
  29. Rasool, G., et al. Spatial analysis of multichannel surface EMG in hemiplegic stroke. IEEE Transactions on Neural Systems and Rehabilitation Engineering : A Publication of the IEEE Engineering in Medicine and Biology Society. 25 (10), 1802-1811 (2017).
  30. Stieglitz, T., et al. Non-invasive measurement of torque development in the rat foot: measurement setup and results from stimulation of the sciatic nerve with polyimide-based cuff electrodes. IEEE Transactions on Neural Systems and Rehabilitation Engineering. 11 (4), 427-437 (2003).
  31. Polasek, K. H., et al. Human nerve stimulation thresholds and selectivity using a multi-contact nerve cuff electrode. IEEE Transactions on Neural Systems and Rehabilitation Engineering. 15 (1), 76-82 (2007).
  32. Kenney, L., et al. An implantable two channel drop foot stimulator: initial clinical results. Artificial Organs. 26 (3), 267-270 (2002).
  33. Ortiz-Catalan, M., et al. Patterned stimulation of peripheral nerves produces natural sensations with regards to location but not quality. IEEE Transactions on Medical Robotics and Bionics. 1 (3), 199-203 (2019).
  34. Boretius, T., et al. A transverse intrafascicular multichannel electrode (TIME) to interface with the peripheral nerve. Biosensors and Bioelectronics. 26 (1), 62-69 (2010).
  35. Petrini, F. M., et al. Six-month assessment of a hand prosthesis with intraneural tactile feedback. Annals of Neurology. 8 (1), 137-154 (2019).
  36. Jung, R., et al. Bionic intrafascicular interfaces for recording and stimulating peripheral nerve fibers. Bioelectronics in Medicine. 1 (1), 55-69 (2017).
  37. Christensen, M. B., et al. The foreign body response to the Utah Slant Electrode Array in the cat sciatic nerve. Acta Biomaterialia. 10 (11), 4650-4660 (2014).
  38. Zollo, L., et al. Restoring tactile sensations via neural interfaces for real-time force-and-slippage closed-loop control of bionic hands. Science Robotics. 4 (27), (2019).
  39. George, J. A., et al. Long-term performance of Utah slanted electrode arrays and intramuscular electromyographic leads implanted chronically in human arm nerves and muscles. Journal of Neural Engineering. 17 (5), 056042 (2020).
  40. Wendelken, S., et al. Restoration of motor control and proprioceptive and cutaneous sensation in humans with prior upper-limb amputation via multiple Utah Slanted Electrode Arrays (USEAs) implanted in residual peripheral arm nerves. Journal of NeuroEngineering and Rehabilitation. 14 (1), 121 (2017).
  41. Yang, Z., et al. Noise characterization, modeling, and reduction for in vivo neural recording. Proceedings of the 23rd Annual Conference on Neural Information Processing Systems (NIPS 09). , 2160-2168 (2009).
  42. Ursu, D. C., et al. In vivo characterization of regenerative peripheral nerve interface function. Journal of Neural Engineering. 13 (2), 026012 (2016).
  43. Lotti, F., et al. Invasive intraneural interfaces: Foreign body reaction issues. Frontiers in Neuroscience. 11, 497-497 (2017).
  44. Stiller, A. M., et al. A meta-analysis of intracortical device stiffness and its correlation with histological outcomes. Micromachines. 9 (9), 443 (2018).
  45. Kung, T. A., et al. Regenerative peripheral nerve interface viability and signal transduction with an implanted electrode. Plastic and Reconstructive Surgery. 133 (6), 1380-1394 (2014).
  46. Kubiak, C. A., Kemp, S. W. P., Cederna, P. S. Regenerative peripheral nerve interface for management of postamputation neuroma. JAMA Surgery. 153 (7), 681-682 (2018).
  47. Vu, P. P., et al. A regenerative peripheral nerve interface allows real-time control of an artificial hand in upper limb amputees. Science Translational Medicine. 12 (533), (2020).
  48. Svientek, S. R., et al. Fabrication of the composite regenerative peripheral nerve interface (C-RPNI) in the adult rat. Journal of Visualized Experiments: JoVE. (156), e60841 (2020).
  49. Ursu, D., et al. Adjacent regenerative peripheral nerve interfaces produce phase-antagonist signals during voluntary walking in rats. Journal of NeuroEngineering and Rehabilitation. 14 (1), 33 (2017).
  50. Vu, P. P., et al. Closed-loop continuous hand control via chronic recording of regenerative peripheral nerve interfaces. IEEE Transactions on Neural Systems and Rehabilitation Engineering. 26 (2), 515-526 (2018).
  51. Urbanchek, M. G., et al. Development of a Regenerative Peripheral Nerve Interface for Control of a Neuroprosthetic Limb. BioMed Research International. 2016, 5726730 (2016).
  52. Kubiak, C. A., et al. Physiologic signaling and viability of the Muscle Cuff Regenerative Peripheral Nerve Interface (MC-RPNI) for intact peripheral nerves. Journal of Neural Engineering. 18 (4), (2021).
  53. Rocha, J. A., et al. Diagnostic investigation and multidisciplinary management in motor neuron disease. Journal of Neurology. 252 (12), 1435-1447 (2005).
  54. Haastert, K., et al. Nerve repair by end-to-side nerve coaptation: histologic and morphometric evaluation of axonal origin in a rat sciatic nerve model. Neurosurgery. 66 (3), 567-576 (2010).
  55. Hayashi, A., et al. Collateral sprouting occurs following end-to-side neurorrhaphy. Plastic and Reconstructive Surgery. 114 (1), 129-137 (2004).
  56. Hu, Y., et al. Regenerative peripheral nerve interface free muscle graft mass and function. Muscle & Nerve. 63 (3), 421-429 (2021).
  57. Carr, M. M., et al. Strain differences in autotomy in rats undergoing sciatic nerve transection or repair. Annals of Plastic Surgery. 28 (6), 538-544 (1992).
  58. Sporel-Özakat, R. E., et al. A simple method for reducing autotomy in rats after peripheral nerve lesions. Journal of Neuroscience Methods. 36 (2), 263-265 (1991).
  59. Lemon, R. N., Mantel, G. W. H., Rea, P. A. Recording and identification of single motor units in the free-to-move primate hand. Experimental Brain Research. 81 (1), (1990).

Tags

ביו-הנדסה גיליון 179 עצב היקפי שרוול שרירים אקסוסקלטון MC-RPNI ממשק אדם-מכונה ממשק נוירומוסקולרי
ממשק העצבים ההיקפי הרגנרטיבי של שרוול השריר להגברה של אותות עצביים היקפיים שלמים
Play Video
PDF DOI DOWNLOAD MATERIALS LIST

Cite this Article

Svientek, S. R., Wisely, J. P.,… More

Svientek, S. R., Wisely, J. P., Dehdashtian, A., Bratley, J. V., Cederna, P. S., Kemp, S. W. P. The Muscle Cuff Regenerative Peripheral Nerve Interface for the Amplification of Intact Peripheral Nerve Signals. J. Vis. Exp. (179), e63222, doi:10.3791/63222 (2022).

Less
Copy Citation Download Citation Reprints and Permissions
View Video

Get cutting-edge science videos from JoVE sent straight to your inbox every month.

Waiting X
Simple Hit Counter