Name: La interfaz nerviosa periférica regenerativa del manguito muscular para la amplificación de señales nerviosas periféricas intactas (Video) | JoVE Journal
Uploaded: 2022-01-13T15:00:00.000+00:00
Duration: 7 min 30 s
Description: Aprende el método MC-RPNI para amplificar señales nerviosas periféricas intactas en neurociencia. Esta interfaz biológica mejora la detección de intención motora para controlar exoesqueletos.

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Los autores agradecen a Jana Moon por su gestión experta de laboratorio y asistencia técnica y a Charles Hwang por su experiencia en imágenes. Los experimentos en este documento fueron financiados en parte a través de subvenciones de la Fundación de Cirugía Plástica a SS (3135146.4), así como al Instituto Nacional de Salud Infantil y Desarrollo Humano bajo el número de adjudicación 1F32HD100286-01 a SS, y el Instituto Nacional de Artritis y Enfermedades Musculoesqueléticas y de la Piel de los Institutos Nacionales de Salud bajo el número de adjudicación P30 AR069620.

Todos los procedimientos y experimentos con animales se llevaron a cabo con la aprobación del Comité Institucional de Cuidado y Uso de Animales (IACUC) de la Universidad de Michigan. Las ratas Fischer F344 y Lewis macho y hembra (~ 200-300 g) a los 3-6 meses de edad se utilizan con mayor frecuencia en experimentos, pero teóricamente se puede utilizar cualquier cepa. Si se utilizan ratas donantes en lugar de injertos musculares autólogos, las ratas donantes deben ser isogénicas a la cepa experimental. A las ratas se les permite el libre acceso a alimentos y agua tanto antes como después de la operación. Después de las evaluaciones terminales de punto final, la eutanasia se realiza bajo anestesia profunda con inyección intracardíaca de cloruro de potasio seguida de un método secundario de neumotórax bilateral.
1. Preparación experimental de la rata
<ol><li>Anestesiar a la rata experimental utilizando una solución de isoflurano al 5% en oxígeno a 0,8-1,0 L/min en una cámara de inducción. Una vez que se logra la anestesia adecuada y se confirma con la ausencia de reflejo corneal, coloque a la rata en un cono nasal de rebreather con isoflurano bajado a 1.75% -2.25% para el mantenimiento de la anestesia.</li>
	<li>Inyecte una solución de 0.02-0.03 ml de carprofeno (50 mg/ml) en 0.2 ml de solución salina estéril con aguja de 27 g en el plano subcutáneo entre los omóplatos para analgesia peri y postoperatoria.</li>
	<li>Aplique ungüento estéril para los ojos en ambos ojos para prevenir las úlceras corneales mientras está anestesiado.</li>
	<li>Con una maquinilla de afeitar eléctrica, afeite la porción lateral de las extremidades inferiores bilaterales, que se extiende desde la articulación de la cadera, sobre el muslo y hasta la superficie dorsal de la pata.</li>
	<li>Esterilice el sitio quirúrgico limpiando primero con una almohadilla de preparación de alcohol, seguido de la aplicación de solución de povidona yodada, terminando con una limpieza final con una nueva almohadilla de preparación de alcohol para eliminar la solución residual de povidona yodada. Repita este proceso de limpieza alterno tres veces para mantener la esterilidad. NOTA: Esto puede ser un irritante dermatológico; Asegúrese de que se elimine la mayor parte de la solución.</li>
</ol>2. Preparación del injerto muscular
<ol><li>Coloque a la rata en una almohadilla térmica debajo de un microscopio quirúrgico con una sonda de temperatura corporal intraoral de elección para el monitoreo de la temperatura corporal. Mantener el isoflurano al 1,75%-2,25% y el oxígeno a 0,8-1,0 L/min.</li>
	<li>Haga una incisión longitudinal a lo largo de la cara anterior de la extremidad posterior del donante deseado que se extiende desde justo por encima del tobillo hasta justo debajo de la rodilla con un bisturí # 15.</li>
	<li>Diseccionar a través del tejido subcutáneo subyacente usando tijeras de iris afiladas para exponer la musculatura subyacente y los tendones distales justo proximales a la articulación del tobillo. El tibial anterior (AT) es el más grande y anterior de los músculos; el músculo extensor largo de los dedos (EDL) se puede encontrar justo profundo y posterior a este músculo. Aísle el músculo EDL y su tendón distal de la musculatura circundante.</li>
	<li>Asegure el aislamiento del tendón correcto insertando ambos dientes de un fórceps o tijera de iris debajo del tendón distal justo proximal a la articulación del tobillo. Ejerza presión hacia arriba sobre el tendón abriendo los fórceps o las tijeras de iris. Este movimiento debe producir una extensión simultánea de todos los dedos de los pies simultáneamente. Si se produce dorsiflexión aislada del tobillo, eversión del tobillo o dorsiflexión de un solo dedo del pie, se ha aislado el tendón incorrecto.</li>
	<li>Realizar una tenotomía distal del músculo EDL a nivel del tobillo con tijeras de iris afiladas y diseccionar el músculo libre de tejidos circundantes trabajando proximalmente hacia su origen tendinoso.</li>
	<li>Una vez que se visualiza el tendón proximal, realice una tenotomía proximal utilizando tijeras de iris afiladas para liberar el injerto.</li>
	<li>Recorte ambos extremos tendinosos del injerto muscular y corte a la longitud deseada con tijeras de iris afiladas. NOTA: Los injertos que miden 8-13 mm se han utilizado con éxito; sin embargo, la longitud más común utilizada es de 10 mm.</li>
	<li>En un lado del injerto muscular, haga una incisión longitudinal a lo largo de toda la longitud recortada para facilitar la colocación del nervio dentro del injerto muscular y proporcionar contacto del nervio con el endomisio.</li>
	<li>Coloque el injerto muscular preparado en una gasa humedecida con solución salina para evitar la desecación del tejido.</li>
	<li>Cierre la piel que recubre el sitio donante con sutura crómica 4-0 de manera corriente.</li>
</ol>3. Aislamiento y preparación del nervio peroneo común
<ol><li>Marque la incisión quirúrgica, que se extenderá desde una línea ~ 5 mm desde la muesca ciática, extendiéndose hasta justo inferior a la articulación de la rodilla. Asegúrese de que esta marca sea inferior y esté en ángulo lejos del fémur que se puede palpar debajo.</li>
	<li>Incide a través de la piel y los tejidos subcutáneos a lo largo de la línea de incisión marcada con una cuchilla #15. Incide cuidadosamente a través de la fascia subyacente del bíceps femoral, teniendo cuidado de no extenderse a través de toda la profundidad del músculo ya que el nervio ciático se encuentra justo debajo.</li>
	<li>Utilizando tijeras pequeñas de punta roma o un hemostático, disecciona cuidadosamente a través del músculo bíceps femoral. NOTA: El nervio ciático viaja en este espacio subyacente al bíceps, orientado aproximadamente en la misma dirección que la incisión marcada en la piel. Hay tres ramas notables del nervio ciático: sural (el más posterior y más pequeño de los nervios), tibial (típicamente más anterior, pero este nervio siempre se sumerge profundamente en la articulación de la rodilla) y peroneo común (típicamente ubicado entre tibial y sural, siempre viaja por encima de la articulación de la rodilla).</li>
	<li>Identifique el nervio peroneo común (PC) y aíslelo cuidadosamente de los nervios circundantes con un par de microfórceps y microtijeras. Retire cualquier tejido conectivo circundante de los 2 cm medios del nervio. Tenga cuidado de no aplastar el nervio CP con fórceps en este proceso, ya que la lesión por aplastamiento puede alterar los resultados del punto final.</li>
	<li>Sobre la porción más central del nervio CP liberado, realice una ventana epineurial eliminando el 25% del epineuro a lo largo de la longitud del nervio que coincida con la longitud deseada del injerto muscular.</li>
	<li>Para realizar esto, sostenga el epineuro proximal con microfórceps, corte el epineuro inmediatamente subyacente con tijeras de microdisección y elimine ~ 25% del epineuro que viaja distalmente a lo largo del nervio. Tenga cuidado de eliminar este segmento en una sola pieza, ya que múltiples intentos pueden causar una eliminación epineurial irregular, lo que aumenta el riesgo de lesión nerviosa. NOTA: El tejido nervioso subyacente al epineuro tendrá una textura pegajosa; Observar esta cualidad del nervio asegura que se haya eliminado el plano de tejido correcto.</li>
</ol>4. Fabricación de construcción MC-RPNI
<ol><li>Retire el injerto muscular de la gasa humedecida con solución salina y colóquelo debajo de la porción central del nervio PC donde se creó la ventana epineurial. Gire el nervio 180 ° para que la sección de la ventana epineurial entre en contacto con el músculo intacto y no subyaca a la línea de sutura eventual.</li>
	<li>Usando un 8-0 sutura de nylon, sutura el epineuro del nervio CP tanto proximal como distalmente al injerto muscular dentro del surco creado en el paso 2.8 utilizando suturas simples interrumpidas para asegurar el epineuro al endomisio. NOTA: Coloque estos puntos, asegurándose de que el músculo esté en la longitud normal de reposo. Estirar o comprimir demasiado el músculo puede afectar las capacidades de regeneración y señalización más adelante.</li>
	<li>Envuelva circunferencialmente los bordes del injerto muscular que rodea el nervio ahora asegurado y suture en su lugar utilizando un simple 8-0 interrumpido Puntadas de nylon (~4-6 dependiendo de la longitud).</li>
	<li>Una vez que se logra la hemostasia, cierre la fascia del bíceps femoral sobre la construcción con sutura crómica 5-0 en forma de carrera.</li>
	<li>Cierre la piel suprayacente de manera de correr con una sutura crómica 4-0.</li>
	<li>Limpie el área quirúrgica con una almohadilla de preparación de alcohol y aplique ungüento antibiótico.</li>
	<li>Terminar la anestesia inhalatoria y colocar a la rata en una jaula limpia aislada de los compañeros de jaula y permitir que se recupere con comida y agua ad lib.</li>
	<li>Una vez que la rata se haya recuperado adecuadamente, colóquela de nuevo con compañeros de jaula en una jaula limpia. NOTA: Estas construcciones requieren una maduración de tres meses como mínimo para producir una amplificación adecuada de la señal nerviosa.</li>
</ol>

Los autores no tienen revelaciones.

El MC-RPNI es una construcción novedosa que permite la amplificación de los potenciales de acción eferentes de un nervio motor periférico intacto para controlar con precisión un dispositivo de exoesqueleto. Específicamente, el MC-RPNI confiere un beneficio particular a aquellos individuos con debilidad en las extremidades causada por una enfermedad muscular significativa y / o ausencia de músculo donde las señales de EMG no se pueden registrar. Reducir la función muscular ya comprometida sería devastador en esta població...

Solo en los Estados Unidos, aproximadamente 130 millones de personas se ven afectadas por trastornos neuromusculares y musculoesqueléticos, lo que resulta en más de $ 800 mil millones en impacto económico anual 1,2. Este grupo de trastornos es típicamente secundario a la patología dentro del sistema nervioso, en la unión neuromuscular o dentro del propio músculo3. A pesar de la variedad de orígenes patológicos, la mayoría comparte algún grado de debilidad de las extremidades 1,3. Desafortunadamente, esta debilidad es a menudo permanente dadas las limitaciones en la regeneración del tejido neural y muscular, especialmente en el contexto de un trauma severo 4,5,6.
Los algoritmos de tratamiento de la debilidad de las extremidades se han centrado clásicamente en medidas de rehabilitación y apoyo, a menudo confiando en aprovechar las capacidades de las extremidades intactas restantes (bastones, sillas de ruedas, etc.) 7. Sin embargo, esta estrategia se queda corta para aquellos cuya debilidad no se limita a una sola extremidad. Con las innovaciones recientes en tecnologías robóticas, se han desarrollado dispositivos avanzados de exoesqueleto que restauran la funcionalidad de las extremidades a las personas que viven con debilidad en las extremidades 8,9,10,11,12,13. Estos exoesqueletos robóticos a menudo son dispositivos portátiles alimentados que pueden ayudar con el inicio y la terminación del movimiento o el mantenimiento de la posición de las extremidades, proporcionando una cantidad variable de fuerza que se puede adaptar individualmente para el usuario 8,9,10,11,12,13 . Estos dispositivos se clasifican como pasivos o activos dependiendo de cómo proporcionan asistencia motora al usuario: los dispositivos activos contienen actuadores eléctricos que aumentan la potencia del usuario, mientras que los dispositivos pasivos almacenan energía de los movimientos del usuario para liberarla de nuevo al usuario cuando sea necesario14. Como los dispositivos activos tienen la capacidad de aumentar las capacidades de potencia de un usuario, estos dispositivos se utilizan con mucha más frecuencia en el contexto de debilidad de las extremidades[14].
Para determinar la intención motora en esta población, los exoesqueletos modernos comúnmente se basan en algoritmos de reconocimiento de patrones generados a partir de electromiografía (EMG) de los músculos distales de las extremidades 8,15,16,17 o electroencefalografía de superficie (sEEG) del cerebro18,19,20 . A pesar de la promesa de estas modalidades de detección, ambas opciones tienen limitaciones significativas que impiden la utilización generalizada de estos dispositivos. Como sEEG detecta señales de nivel de microvoltios transcranealmente18,19,20, las críticas se centran con frecuencia en la incapacidad de diferenciar estas señales del ruido de fondo 21. Cuando el ruido de fondo es similar a la señal de grabación deseada, esto produce bajas relaciones señal-ruido (SNR), lo que resulta en una detección y clasificación del motor inexacta22,23. La detección precisa de la señal se basa además en el contacto estable y de baja impedancia del cuero cabelludo21, que puede verse afectado significativamente por la presencia de cabello grueso / grueso, la actividad del usuario e incluso la sudoración22,24. En contraste, las señales EMG son varias magnitudes mayores en amplitud, lo que facilita una mayor precisión de detección de la señal del motor15,18,25. Sin embargo, esto tiene un costo, ya que los músculos cercanos pueden contaminar la señal, disminuyendo los grados de libertad capaces de ser controlados por el dispositivo 16,17,25 y la incapacidad de detectar el movimiento muscular profundo25,26,27,28. Lo más importante es que la EMG no puede ser utilizada como método de control cuando hay compromiso muscular significativo y ausencia completa de tejido29.
Para avanzar en el desarrollo de exoesqueletos robóticos, se requiere una detección consistente y precisa de la intención del motor del usuario previsto. Las interfaces que utilizan el sistema nervioso periférico han surgido como una técnica de interfaz prometedora, dado su acceso relativamente simple y selectividad funcional. Los métodos actuales de interfaz de nervios periféricos pueden ser invasivos o no invasivos y, por lo general, se incluyen en una de tres categorías: electrodos extraneurales 30,31,32,33, electrodos intrafasciculares 34,35,36 y electrodos penetrantes37,38,39,40 . Como las señales nerviosas periféricas generalmente están en el nivel de microvoltios, puede ser difícil diferenciar estas señales del ruido de fondo de amplitud similar41,42, lo que reduce las capacidades generales de precisión de detección motora de la interfaz. Estas bajas relaciones señal-ruido (SNR) a menudo empeoran con el tiempo debido al empeoramiento de la impedancia del electrodo 43 producida por la degradación del dispositivo39,43, o la reacción local de cuerpo extraño que produce tejido cicatricial alrededor del dispositivo y / o degeneración axonal local37,44. Aunque estas deficiencias generalmente se pueden resolver con la reoperación y la implantación de una nueva interfaz nerviosa periférica, esta no es una solución viable a largo plazo, ya que las reacciones asociadas a cuerpos extraños continuarían ocurriendo.
Para evitar estas reacciones tisulares locales generadas por la interacción de los nervios periféricos con las interfaces abióticas, es necesaria una interfaz que incorpore un componente biológico. Para abordar esta deficiencia, se desarrolló la Interfaz Nerviosa Periférica Regenerativa (RPNI) para integrar nervios periféricos transectados en los muñones de aquellos con amputaciones con dispositivos protésicos45,46,47,48. La fabricación del RPNI implica la implantación quirúrgica de un nervio periférico transeccionado en un segmento de injerto de músculo libre autólogo, con revascularización, regeneración y reinervación que ocurren con el tiempo. A través de la generación de potenciales de acción muscular compuestos a nivel de milivoltios (CMAP), el RPNI es capaz de amplificar la señal de nivel de microvoltios de su nervio contenido en varias magnitudes, facilitando la detección precisa de la intención motora45,48,49. Ha habido un desarrollo considerable de la RPNI en la última década, con un éxito notable en la amplificación y transmisión de señales nerviosas motoras eferentes tanto en ensayos con animales50,51 como en humanos47, facilitando el control de dispositivos protésicos de alta precisión con múltiples grados de libertad.
Los individuos con debilidad en las extremidades pero nervios periféricos intactos se beneficiarían de manera similar de la detección de alta precisión de la intención motora a través de interfaces nerviosas periféricas para controlar los dispositivos del exoesqueleto. Como el RPNI se desarrolló para la integración con nervios periféricos transeccionados, como en personas con amputaciones, fueron necesarias modificaciones quirúrgicas. A partir de la experiencia con el RPNI, se desarrolló la interfaz nerviosa periférica regenerativa del manguito muscular (MC-RPNI). Consiste en un segmento similar de injerto de músculo libre como en el RPNI, en su lugar se asegura circunferencialmente a un nervio periférico intacto (Figura 1). Con el tiempo, se regenera y se reinerva a través de la germinación axonal colateral, amplificando y traduciendo estas señales nerviosas motoras eferentes a señales EMG que son varios órdenes de magnitud más grandes52. Como el MC-RPNI es de origen biológico, evita la inevitable reacción de cuerpo extraño que ocurre con las interfaces nerviosas periféricas actualmente en uso52. Además, el MC-RPNI confiere la capacidad de controlar múltiples grados de libertad simultáneamente, ya que pueden colocarse en nervios distalmente diseccionados a músculos individuales sin una diafonía significativa, como se ha demostrado previamente en RPNIs49. Finalmente, el MC-RPNI puede operar independientemente de la función muscular distal, ya que se coloca en el nervio proximal. Dadas sus ventajas sobre las interfaces nerviosas periféricas actuales, el MC-RPNI es muy prometedor para proporcionar un método seguro, preciso y confiable de control del exoesqueleto.

<table><tbody><tr><td>#15 Bisturí</td><td>Aspen Surgical, Inc</td><td>Ref 371115</td><td>Cuchillas quirúrgicas de acero al carbono con respaldo acanalado (#15)</td></tr><tr><td>Célula de carga de película delgada 2-N (S100)Dispositivos de</td> <td>medición de deformación, Inc</td><td>SMD100-0002</td><td>Mide la fuerza generada por el músculo adherido</td></tr><tr><td>4-0 Sutura crómica</td><td>Ethicon SKU</td><td># 1654G</td><td>P-3 Aguja de corte inverso</td></tr><tr><td>5-0 Sutura crómica</td><td>Ethicon SKU</td><td># 687G</td><td>P-3 Aguja de corte inverso</td></tr><tr><td>8-0 Sutura monofilamento</td><td>AROSurgial</td><td>T06A08N14-13</td><td>Sutura monofilamento de poliamida negra en aguja cónica roscada</td></tr><tr><td>Ratas experimentales</td><td>Envigo</td><td>F344-NH-sd</td><td>Las ratas son Pinzas finas Fischer F344 Strain</td></tr><tr><td>- acabado espejo</td><td>Fine Science Tools</td><td>11413-11</td><td>Pinzas de punta fina con acabado espejo ideales para manipular estructuras delicadas como los nervios</td></tr><tr><td>Fluriso (isofluorano)</td><td>VetOne</td><td>13985-528-40</td> Plantilla de medición de la fuerza <td>anestésica inhalatoria</td></tr><tr><td></td><td>Red Rock</td><td>n/a</td><td>Plantilla de medición de fuerza diseñada a medida que permite la inmovilización de la extremidad posterior para permitir un registro preciso de la fuerza muscular</td></tr> Software <tr><td>de MATLAB</td><td>Mathworks, Inc</td><td>PR-MATLAB-MU-MW-707-NNU</td><td>Calcula la fuerza activa para cada traza de fuerza registrada a partir de la fuerza pasiva y total mediciones</td></tr><tr><td>Nicolet Viasys Sistema EMG EP</td><td>Nicolet</td><td>MFI-NCL-VIKING-SELECT-2CH-EMG</td><td>Sistema portátil de registro de señales nerviosas y EMG capaz de realizar grabaciones simultáneas de 2 canales desde el nervio y/o el músculo</td></tr><tr><td>Oxígeno</td><td>Gases criogénicos</td><td>UN1072</td><td>Bombonas de oxígeno estándar de grado médico</td></tr><tr><td>Cloruro de potasio</td><td>APP Pharmaceuticals</td><td>63323-965-20</td><td>Forma inyectable, 2 mEq/mL</td></tr><tr><td>Povidona Yodada USP</td><td>MediChoice</td><td>65517-0009-1</td><td>Solución tópica al 10%, puede usar una botella para múltiples preparaciones quirúrgicas</td></tr><tr><td>Puralube Vet Opthalmic Ointment</td><td>Dechra</td><td>17033-211-38</td><td>Pomada protectora corneal para usar durante el procedimiento</td></tr><tr><td>Rimadyl (Caprofen)</td><td>Zoetis, Inc.</td><td>NADA# 141-199</td><td>Forma inyectable, 50 mg/mL</td></tr><tr><td>Microscopio estereoscópico</td><td>Leica</td><td>modelo M60</td><td>El usuario puede ajustar el aumento a su preferencia</td></tr><tr><td>Instrumentos quirúrgicos</td><td>Herramientas de ciencia fina</td><td>Varios</td><td>El usuario puede elegir instrumentos de acuerdo con sus preferencias personales o de lo que está disponible actualmente en su laboratorio</td></tr><tr><td>Pomada antibiótica triple</td><td>MediChoice</td><td>39892-0830-2</td><td>El ungüento viene en paquetes estériles y desechables</td></tr><tr><td>Tijeras de resorte Vannas - filo de 2 mm</td><td>Fine Science Tools</td><td>15000-04</td><td>Tijeras de microdisección curvas utilizadas para realizar la ventana epineurial</td></tr><tr><td>VaporStick 3</td><td>Surgivet</td><td>V7015</td><td>Torre de anestesia con espacio para bidones de isofluorano y oxígeno</td></tr><tr><td>Webcol Alcohol Prep</td><td>Coviden</td><td>Ref 6818</td><td>Toallitas de preparación con alcohol; use una toallita nueva para cada preparación</td></tr></tbody></table>

la interfaz nerviosa periférica regenerativa del manguito muscular para la amplificación de señales nerviosas periféricas intactas

The Muscle Cuff Regenerative Peripheral Nerve Interface for the Amplification of Intact Peripheral Nerve Signals

Los exoesqueletos robóticos han ganado elogios recientes dentro del campo de la medicina de rehabilitación como una modalidad prometedora para la restauración funcional para aquellos individuos con debilidad en las extremidades. Sin embargo, su uso se limita en gran medida a las instituciones de investigación, que con frecuencia operan como un medio de soporte estático de las extremidades, ya que los métodos de detección motora siguen siendo poco fiables. Las interfaces nerviosas periféricas han surgido como una solución potencial a esta deficiencia; Sin embargo, debido a sus amplitudes inherentemente pequeñas, estas señales pueden ser difíciles de diferenciar del ruido de fondo, lo que reduce su precisión general de detección del motor. Como las interfaces actuales dependen de materiales abióticos, la descomposición inherente del material puede ocurrir junto con la reacción del tejido de cuerpo extraño con el tiempo, lo que afecta aún más su precisión. La interfaz nerviosa periférica regenerativa del manguito muscular (MC-RPNI) fue diseñada para superar estas complicaciones observadas. Consiste en un segmento de injerto de músculo libre asegurado circunferencialmente a un nervio periférico intacto, la construcción se regenera y se reenerva por el nervio contenido con el tiempo. En ratas, esta construcción ha demostrado la capacidad de amplificar los potenciales de acción eferentes motores de un nervio periférico hasta 100 veces el valor normal a través de la generación de potenciales de acción muscular compuestos (CMAP). Esta amplificación de señal facilita la detección de alta precisión de la intención del motor, lo que potencialmente permite la utilización confiable de dispositivos de exoesqueleto.

La fabricación quirúrgica MC-RPNI se considera una falla perioperatoria si las ratas no sobreviven a la emergencia de la anestesia quirúrgica o desarrollan una infección dentro de una semana de la operación. Investigaciones anteriores han indicado que un período de maduración de 3 meses dará como resultado una amplificación de señal confiable a partir de estas construcciones42,45,48,49. En ese ...

Este manuscrito proporciona un método innovador para desarrollar una interfaz nerviosa periférica biológica denominada Interfaz nerviosa periférica regenerativa del manguito muscular (MC-RPNI). Esta construcción quirúrgica puede amplificar las señales eferentes motoras de su nervio periférico asociado para facilitar la detección precisa de la intención motora y el control potencial de los dispositivos de exoesqueleto.

La interfaz nerviosa periférica regenerativa del manguito muscular para la amplificación de señales nerviosas periféricas intactas

Robotic exoskeletons have gained recent acclaim within the field of rehabilitative medicine as a promising modality for functional restoration for those ...

Las señales nerviosas fisiológicas están en el nivel de microvoltios, que es demasiado pequeño para registrar con los electrodos disponibles actualmente de manera confiable. El MC-RPNI puede interactuar con nervios periféricos intactos, amplificando las pequeñas señales más de cien veces para facilitar la detección confiable y precisa de la intención del motor. La principal ventaja de esta técnica es su naturaleza biológica.Puede interactuar con nervios periféricos intactos a largo plazo sin causar un efecto perjudicial en el nervio mismo o objetivos musculares inervados distalmente. Los dispositivos de exoesqueleto motorizados capaces de restaurar la función de las personas con debilidad en las extremidades rara vez se utilizan en todo su potencial debido a la incapacidad de detectar la intención motora de manera confiable y precisa. Debido a sus capacidades biológicas de amplificación de la señal nerviosa, el manguito muscular RPNI es la respuesta a estas deficiencias.Haga una incisión longitudinal a lo largo de la cara anterior de la extremidad posterior del donante deseada, que se extiende desde justo por encima del tobillo hasta justo debajo de la rodilla con un bisturí número 15. Diseccionar el tejido subcutáneo subyacente con tijeras de iris afiladas para exponer la musculatura subyacente y los tendones distales justo proximales a la articulación del tobillo. Aísle el músculo EDL y su tendón distal de la musculatura circundante.Asegure el aislamiento del tendón correcto insertando ambos dientes de un fórceps o tijera de iris debajo del tendón distal justo proximal a la articulación del tobillo. Abra los fórceps o tijeras para ejercer presión hacia arriba sobre el tendón. Realizar una tenotomía distal del músculo EDL a nivel del tobillo con tijeras de iris afiladas y diseccionar el músculo libre de los tejidos circundantes trabajando proximalmente hacia su origen tendinoso.Una vez visualizado el tendón proximal, realizar una tenotomía proximal con tijeras de iris afiladas para liberar el injerto, recortar ambos extremos tendinosos del injerto muscular y cortar a la longitud deseada con tijeras afiladas para el iris. Haga una incisión longitudinal a lo largo de toda la longitud recortada en un lado del injerto muscular para facilitar la colocación del nervio dentro del injerto muscular y proporcionar contacto del nervio con el endomisio. Coloque el injerto muscular preparado en una gasa humedecida con solución salina para evitar la desecación del tejido.Marque la incisión quirúrgica, que se extiende desde una línea de aproximadamente 5 milímetros desde la muesca ciática hasta la articulación inferior de la rodilla. Incide a través de la piel y los tejidos subcutáneos a lo largo de la línea de incisión marcada con una cuchilla número 15. Incide cuidadosamente a través de la fascia femorosa del bíceps subyacente, teniendo cuidado de no extenderse a través de toda la profundidad del músculo ya que el nervio ciático se encuentra justo debajo.Luego disecciona cuidadosamente a través del músculo femoroso del bíceps con tijeras pequeñas de punta roma o un hemostático. Identifique el nervio perineal o CP común y aíslelo cuidadosamente de los nervios circundantes con un par de micro fórceps y micro tijeras. Retire cualquier tejido conectivo circundante de los 2 centímetros medios del nervio, teniendo cuidado de no aplastar el nervio.Sostenga el epineuro proximal con microfórceps sobre la porción más central del nervio CP liberado y corte el epineuro inmediatamente con tijeras de microdisección. Luego, viaje distalmente a lo largo del nervio para hacer una ventana epineurial que coincida con la longitud del injerto muscular y elimine alrededor del 25% del epineuro. Tenga cuidado de eliminar este segmento en una sola pieza.Retire el injerto muscular de la gasa humedecida con solución salina y colóquelo debajo de la porción central del nervio PC donde se creó la ventana epineurial. Gire el nervio 180 grados para que la sección de la ventana epineurial toque el músculo intacto y no subyaca a la línea de sutura eventual. Suturar el epineuro del nervio CP con un 8-O Sutura de nylon proximal y distalmente al injerto muscular dentro del surco con suturas simples interrumpidas para asegurar el epineuro al endomisio.Envolver circunferencialmente los bordes en el injerto muscular que rodea el nervio ahora asegurado y suturar en su lugar con 8-O interrumpido Puntadas de nylon. Una vez que se logra la hemostasia, cierre la fascia femorosa del bíceps sobre la construcción con sutura crómica 5-O en forma de carrera. Cierre la piel suprayacente con una sutura crómica 4-O en forma de correr.La tinción H&E de una sección transversal MC-RPNI muestra el músculo y el nervio. La sección transversal del músculo EDL inervado distalmente ipsilateral en una rata con un MC-RPNI demostró tejido nervioso y muscular viable sin fibrosis o cicatrización significativa en comparación con la sección transversal en una rata control sin un MC-RPNI. La inmunohistoquímica de una sección longitudinal de una muestra MC-RPNI muestra núcleos teñidos de azul con DAPI y tejido nervioso teñido de verde.Un primer plano de otro MC-RPNI exitoso muestra múltiples uniones neuromusculares inervadas teñidas con alfa-bungarotoxina en rojo para los receptores de acetilcolina. Las pruebas electrofisiológicas realizadas en las construcciones MC-RPNI mostraron que los potenciales de acción muscular compuestos generados o formas de onda CMAP son similares en apariencia al músculo nativo, lo que respalda aún más que se han reinervado por su nervio contenido. Los CMAP generados por el músculo EDL fisiológico después de la estimulación nerviosa CP proximal generalmente varían de 20 a 30 milivoltios.Los CMAP de EDL en ratas con MC-RPNI implantados no son significativamente diferentes, con un promedio de 24.27 milivoltios más o menos 1.34 milivoltios. Es crucial practicar hacer una ventana epineurial antes de usarla en un estudio. El epineuro es una cubierta muy delgada y frágil en el nervio, y dañar las fibras nerviosas subyacentes puede alterar los resultados de maneras altamente impredecibles.Estas construcciones se consideran maduras en ratas después de 3 meses, y sus capacidades de personalización son infinitas. Después de la maduración, el MC-RPNI se puede utilizar en evaluaciones fisiológicas, análisis electrofisiológicos y pruebas de fuerza muscular, por nombrar algunos. La neurorrafia de extremo a lado es un concepto relativamente nuevo dentro de la cirugía donde un nervio transeccionado se recubre a un nervio periférico intacto que induce el brote colateral del nervio intacto al segmento injertado.Hemos descubierto que este fenómeno también ocurre en el músculo injertado directamente en el nervio intacto y las posibilidades de más investigación son fascinantes.

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Research

Investigación

JoVE Journal

Bioengineering

Bioingeniería

La lesión traumática de la médula espinal interrumpe la comunicación con el cerebro. Para restaurar la pérdida de conectividad que utilizan un injerto de nervio periférico para proporcionar un sustrato para la regeneración de las fibras en combinación con factores neurotróficos y las enzimas de la matriz de modulación, para eliminar las moléculas inhibidoras para promover el crecimiento de larga distancia.

La combinación de injerto de nervio periférico y la matriz de modulación para la Reparación de médula espinal de ratas lesionados

Fuente: Svientek, S. R., et al. Fabricación de la interfaz nerviosa periférica regenerativa compuesta (C-RPNI) en la rata adulta.  J. Vis. Exp. (2020).Este video demuestra la construcción quirúrgica de una interfaz nerviosa periférica regenerativa compuesta (C-RPNI) en un modelo de rata de lesión nerviosa periférica. El procedimiento consiste en unir un nervio peroneo seccionado a un injerto muscular y superponerlo con un injerto de piel dérmica para promover la regeneración nerviosa. Con el...

Construcción de una interfaz nerviosa periférica regenerativa compuesta en un modelo de lesión nerviosa en ratas

Este video muestra la fabricación de un electrodo plano que envuelve los nervios. Muestra la integración de metal blindado y capas precisas de polímero para una superficie de grabación efectiva. El proceso consiste en unir, curar, recortar y cortar capas de polímero para un contacto óptimo con los nervios y un registro preciso de la señal.

Fabricación de electrodos nerviosos de interfaz plana para registrar la actividad neuronal

Este artículo proporciona una descripción detallada sobre el proceso de fabricación de un electrodo del nervio interfaz plana de contacto alta densidad (FINA). Este electrodo está optimizado para la grabación y la estimulación de la actividad neuronal selectiva dentro de los nervios periféricos.

Fabricación de alta densidad, Contacto-Interface plana Electrodos nerviosas para aplicaciones de registro y estimulación

Aquí se presenta un protocolo para la fabricación de un sistema implantable para la grabación cronológica in vivo de potenciales electromiográficos evocados y espontáneos. El sistema se aplica a la investigación de la reinnervación de los músculos laríngeos después de la lesión nerviosa.

Un sistema implantable para la electromiografía crónica in vivo

El siguiente manuscrito describe un método novedoso para desarrollar un sistema de retroalimentación neuronal biológico de bucle cerrado llamado la interfaz nerviosa periférica regenerativa compuesta (C-RPNI). Esta construcción tiene la capacidad de integrarse con los nervios periféricos para amplificar las señales motoras eferentes mientras que al mismo tiempo proporciona una retroalimentación sensorial aferente.

Fabricación de la interfaz nerviosa periférica regenerativa compuesta (C-RPNI) en la rata adulta

Los enfoques existentes para la construcción de electrodos nerviosos periféricos crónicamente implantables para su uso en roedores pequeños a menudo requieren equipo especializado y/o personal altamente capacitado. En este protocolo demostramos un enfoque simple y de bajo costo para fabricar electrodos de manguito implantables crónicamente, y demostramos su eficacia para la estimulación nerviosa de vagon (VNS) en ratas.

Preparación de electrodos de estimulación nerviosa periférica para la implantación crónica en ratas

Se trata de un protocolo para la implantación quirúrgica y el funcionamiento de una interfaz alimentada de forma inalámbrica para los nervios periféricos. Demostramos la utilidad de este enfoque con ejemplos de estimuladores nerviosos colocados en el nervio ciático o frénico de rata.

Implantación y control de sistemas inalámbricos sin batería para la interfaz de nervios periféricos

Este protocolo describe la preparación de tejido nervioso ciático entero de rata para la estimulación electrofisiológica ex vivo y el registro en un baño salino perfundido de dos compartimentos, regulado ambientalmente.

Preparación del nervio ciático de rata para neurofisiología ex vivo

Aquí, describimos el procedimiento quirúrgico para realizar la cirugía regenerativa de la interfaz nerviosa periférica (RPNI) para tratar el dolor neuropático posterior a la amputación en el contexto de un ensayo controlado aleatorizado (ECA) internacional (ClinicalTrials.gov, NCT05009394). El ECA compara la RPNI con otras dos técnicas quirúrgicas, a saber, la reinervación muscular dirigida (TMR) y la escisión del neuroma combinada con transposición intramuscular.

Interfaz regenerativa de nervios periféricos: protocolo quirúrgico para un ensayo controlado aleatorizado en el dolor posterior a la amputación

Aprende el método MC-RPNI para amplificar señales nerviosas periféricas intactas en neurociencia. Esta interfaz biológica mejora la detección de intención motora para controlar exoesqueletos.

La interfaz nerviosa periférica regenerativa del manguito muscular para la amplificación de señales nerviosas periféricas intactas (Video) | JoVE Journal

La interfaz nerviosa periférica regenerativa del manguito muscular para la amplificación de señales nerviosas periféricas intactas

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