Summary
다음 원고는 복합 재생 말초 신경 인터페이스(C-RPNI)라고 불리는 생물학적, 폐쇄 루프 신경 피드백 시스템을 개발하기 위한 새로운 방법을 설명합니다. 이 구조는 주변 신경과 통합하여 원심성 모터 신호를 증폭하는 동시에 구심성 감각 피드백을 제공하는 기능을 가지고 있습니다.
Abstract
신경 보철에 있는 최근 어드밴스는 결석 한 사지에 네이티브 많은 기능을 재현하기 위해 사지 손실을 가진 사람들을 가능하게하고, 이것은 종종 말초 신경계와의 통합을 통해 달성된다. 불행 하 게도, 현재 사용 하는 방법은 종종 장기간된 사용을 방지 하는 중요 한 조직 손상과 관련 된. 또한, 이러한 장치는 복잡한 구조로 인해 사용자가 이전에 더 간단한 보철을 사용할 때 의존했을 수 있는 진동이나 기타 감각을 약화시킬 수 있기 때문에 감각 피드백의 의미 있는 정도가 부족한 경우가 많습니다. 복합 재생 말초 신경 인터페이스 (C-RPNI)는 동시 구심성 감각 피드백을 제공하면서 원심성 모터 신경 신호를 증폭할 수있는 안정적이고 생물학적 구조로 개발되었습니다. C-RPNI는 근육 이식의 우선 모터 신경 재심 및 진피 이식의 감각 신경 재심과 함께 대상 혼합 감각 신경 주위에 고정 된 자유 진피 및 근육 이식의 세그먼트로 구성됩니다. 쥐에서, 이 구조는 화합물 근육 작용 전위 (CMAP)의 생성을 입증했다, 마이크로 - 밀리 볼트 수준에서 대상 신경의 신호를 증폭, 약 30-50 평균 잡음 비에 신호와. 구성물의 진피 성분의 자극은 근위 신경에서 복합 감각 신경 작용 전위(CSNAPs)를 생성한다. 따라서, 이 구조는 이상적이고 직관적인 보철물의 실현을 향한 미래의 유틸리티를 약속합니다.
Introduction
사지 절단은 190명의 미국인1에있는 거의 1에 영향을 미치고, 그들의 보급은 2050년2년까지160만에서 360만 이상으로 증가할 것으로 예상됩니다. 천년 이상 에 대한 문서화 된 사용에도 불구하고, 이상적인 보철은 아직 실현되지않았습니다 3. 현재, 네이티브 말단4,5의많은 운동 기능을 재현 할 수있는 잠재력을 가진 여러 관절 조작이 가능한 복잡한 보철이 존재한다. 그러나, 이러한 장치는 원하는 보철 운동이 전형적으로 입력 제어 신호와 기능적으로 분리되기 때문에 직관적인 것으로 간주되지 않는다. 사용자는 일반적으로 이러한 "고급 보철물"을 배우기 어렵고 따라서 일상적인 사용에 적합하지 않다고 간주1,6. 또한 현재 시판중인 복잡한 보철은 적절한 제어를 위해 미묘한 감각 피드백을 제공하지 않습니다. 터치와 프로피오셉션의 감각은 일상적인 작업을 수행하는 데 필수적이며, 이러한 없이는 커피 한 잔을 집어 들고 같은 간단한 행위가 시각적 단서7,8,9에전적으로 의존하기 때문에 부담이됩니다. 이러한 이유로 고급 보철은 상당한 정도의 정신적 피로와 관련이 있으며 종종 부담스리고 만족스럽지 않은5,10,11로설명됩니다. 이를 해결하기 위해 일부 연구실에서는 직접 신경 상호작용12,13,14,15를통해 제한된 수준의 감각 피드백을 제공할 수 있는 보철을 개발하였지만, 피드백은 손과 손가락에 작고 흩어진영역(12,13)및 감각이15시에고통스럽고 부자연스럽다고 지적되었다. 이러한 연구의 대부분은 불행하게도 지방 조직 효과를 묘사하기 위해 어떤 상당한 장기 후속 및 신경 조직학부족, 달에 주 에 의 한계 실패를 지적하면서16.
이 인구를 위해, 이상적인 보철 장치는 그들의 일생 내내 개별의 환경에서 의미 있는 체감각 피드백과 더불어 높은 충실도 모터 통제를 제공할 것입니다. 이러한 이상적인 보철물의 설계에 중요한 것은 원심성 체감각 정보를 원심성 모터 신호와 동시에 전송할 수 있는 안정적이고 신뢰할 수 있는 인터페이스의 개발입니다. 현재 인간-기계 인터페이스의 가장 유망한 것은 말초 신경계와 직접 상호 작용하는 것들이며, 신경 통합 보철 분야의 최근 발전은 생체 전기 및 기계적 신호 사이의 격차를 해소하기 위해 노력해 왔으며17. 활용 전류 인터페이스는 다음과 같습니다 유연한 신경 플레이트14,15,18,초 신경 커프 전극13,19,20,21,22,23,조직 관통 전극24,25,31,32,및 파자내 전극26,27 ,28. 그러나, 이들 각각의 방법은 만성 내적 이물질 반응과 관련된 신경 특이성, 조직 손상, 축색 변성, 미엘린 고갈 및/또는 흉터 조직 형성에 관한 제한을 입증했다16,17,18,19. 최근에는 최종 이식 된 전극 실패 의 뒤에 드라이버가 전자 물질과 네이티브 신경 조직 사이의 영의 계수에 상당한 차이가 있다고 가정하고있다. 뇌조직은 매일 상당한 미세운동을 일으키며, 영의 변둘리의 차이에 의해 유발된 전단 스트레스가 염증을 일으키고 결국 영구적인 흉터를 남기는30,31,32라고이론화되어 왔다. 이 효력은 말초 신경이 생리적인 micromotion 및 의도적인 사지 macromotion 둘 다의 대상이 되는 사지에서 수시로 복합됩니다. 이러한 일정한 움직임으로 인해 완전히 비생물적인 말초 신경 인터페이스의 활용이 이상적이지 않으며 생물학적 구성 요소와의 인터페이스가 더 적합하다고 결론짓는 것이 합리적입니다.
생물학적 구성 요소에 대한 이러한 필요성을 해결하기 위해, 우리의 실험실은 재생 말초 신경 인터페이스라는 생물 신경 인터페이스를 개발 (RPNI) 보철 장치와 잔여 사지에 transected 말초 신경을 통합. RPNI 제조는 외과적으로 말초 신경을 자가 무료 근육 이식편으로 이식하는 것을 포함하며, 이는 이후에 재혈관화및 재심을 불러오게 합니다. 우리의 실험실은 지난 10 년 동안이 생물학적 신경 인터페이스를 개발했으며, 동물 및 인체 실험에서 이식 된 전극과 결합 할 때 모터 신호를 증폭하고 전송하는 데 성공하여 여러자유도의적절한 보철 제어를가능하게했습니다 2,34. 또한, 우리는 별도로 진피 이식편에 내장된 말초 신경의 사용을 통해 감각 피드백을 입증하, 진피 감각 인터페이스 (DSI)3,35라고합니다. 더 말단 절단에서, 이 구조물을 동시에 사용하는 것은 표적 말초 신경 내의 모터 및 감각 근막이 외과적으로 분리될 수 있기 때문에 가능하다. 그러나, 더 근위 수준 절단을 위해, 이것은 모터와 감각 섬유의 혼합 때문에 가능하지 않습니다. 복합 재생 말초 신경 인터페이스 (C-RPNI)는 더 근위 절단을 위해 개발되었으며, 진피 이식편 세그먼트에 고정 된 자유 근육 이식으로 구성된 구조로 혼합 감각 신경을 이식하는 것을 포함합니다(그림 1). 말초 신경은 우선적으로 표적 화된 재원화를 나타내므로 감각 섬유는 진피 이식편과 운동 섬유, 근육 이식편을 다시 내면화합니다. 이 구성은 따라서 동시에 체감각 피드백36 (그림 2)을제공하면서 모터 신호를 증폭할 수있는 능력을 가지며, 이상적이고 직관적이며 복잡한 보철을 실현할 수 있습니다.
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Protocol
모든 동물 실험은 미시간 대학교 동물 사용 및 관리 위원회의 승인을 받아 수행됩니다.
참고: 기증자 쥐는 피부와 근육 기증 절차 전에 음식과 물에 무료로 접근 할 수 있습니다. 안락사는 심부 마취하에 수행되고 심박내 염화칼륨 주사는 양측 기흉의 보조 방법으로 수행됩니다. 쥐의 어떤 긴장든지 이론적으로 이 실험으로 이용될 수 있습니다; 그러나, 우리의 실험실은 남성과 여성 Fischer F344 쥐모두에서 일관된 결과를 달성했다 (~ 200-250 g) 나이의 2 ~ 4 개월. 공여자 쥐는 실험쥐에 등소성이어야 한다.
1. 진피 이식편 준비
- 0.8-1 L/min에서 산소에 있는 5% 이소플루란의 용액을 이용하는 유도 챔버에 있는 기증자 쥐를 마취합니다. 일단 쥐가 마취되면, 유도 챔버에서 제거하고 호흡 코 콘에 배치, 마취의 유지 보수를 위해 이소플루란을 2-2.5 %로 낮춘다.
- 진통을 위한 견갑골 사이 피하 멸균 식염수의 0.2 mL에 0.02-0.03 mL Carprofen (50 mg/mL)의 용액을 관리하십시오.
- 각막 궤양을 방지하기 위해 두 눈에 인공 눈물 연고를 적용하십시오.
- 클리퍼를 사용하여 전체 하반신, 발목 영역 및 발(들)의 측면을 면도합니다.
- 선택한 뒷다리와 발바닥 표면을 알코올로 정화한 다음 iodopovidone 용액을 제거하고 잔류 요오도포비드톤을 제거하기 위해 알코올로 최종 정화합니다.
- 탈착식 둥근 미세 모래 연마 돌 (4000 rpm)과 휴대용 마이크로 모터 고속 드릴을 사용하여, 표피를 제거하기 위해 발의 발바닥 표면을 버. 버링하는 동안, 피부를 구울 수 있도록 식염수의 물방울을 적용하십시오. 근본적인 진피는 뾰족한 출혈을 가진 빛나는 외관을 가질 것입니다.
- 혈류를 늦추기 위해 하반신에 지혈대를 바르세요.
- #15 메스로 발바닥 피부를 날카롭게 제거하고 탈수 방지를 위해 식염수 축축한 거즈에 놓습니다. 일부 건성 및 결합 조직은 본질적으로이 단계에서 피부와 함께 제거되고 나중에 제거됩니다.
- 출혈을 늦추기 위해 출혈 발에 거즈 랩을 적용하십시오. 두 구문 작업을 수행하는 경우 1.5-1.9 단계를 반복합니다.
- 현미경 (20 배율)에서 미세 가위를 사용하여 피부 이식의 깊은 층에서 힘및 결합 조직을 제거하십시오. 접목에 구멍을 뚫지 않도록 주의하십시오. 얇아진 진피 이식편은 진피만을 함유하여 약간 불투명해야 하며, 크기는 약 0.5 cm x 1.0cm입니다.
- C-RPNI 구성 제작을 위해 준비될 때까지 식염수로 적신 거즈에 놓습니다. 이식은 수확 후 2시간 이내에 활용되어야 합니다.
2. 근육 이식의 준비
- #15 메스로 발목 바로 아래에서 무릎 바로 아래까지 하반신의 앞쪽 측면을 따라 세로 절개를하십시오. 피하 조직을 통해 해부하여 근본적인 근육을 노출시하십시오.
- 절개의 말단 양상에서, 하반신 근육의 건성 삽입을 노출. Tibialis 전방 (TA) 일반적으로 가장 크고 가장 앞쪽 근육, 그리고 바로 아래이 근육에 후방 거짓말 이근외 디지튜룸 longus (EDL). 이 시점에서 삽입을 절개하지 않도록주의하면서 지역의 다른 힘줄에서 원위 EDL 힘줄을 분리하십시오.
- 힘줄 아래에 집게의 두 tines를 삽입하고 힘줄 소풍을 일으키는 원인이 되는 집게를 열어 상향 압력을 가하여 정확한 힘줄의 격리를 확인합니다. 이 힘줄을 조작하면 모든 발가락이 동시에 확장됩니다.
- 날카로운 홍채 가위로 원위 절제술을 수행하고 근위축 (또는 다른 무딘 기울어진 가위)으로 주변 조직에서 근육을 둔하게 분리하여 힘기원을 찾기 위해 근면하게 작동합니다.
- 근위 힘줄이 시각화되면, 다시 날카로운 홍채 가위를 사용하여 tenotomy을 수행합니다. 탈수 방지를 위해 근육 이식편을 식염수축 거즈에 놓습니다.
- 모든 원하는 접목이 기증자 쥐에서 제거되면, 주로 심장 내 KCl 주입 (1-2 mEq K +/kg)에 의해 안락사하고 #15 블레이드가있는 양측 천공 기흉이있는 이차 안락사로 안락사를 합니다.
3. 일반적인 peroneal 신경 격리 및 준비
- 1.1-1.3 단계에 설명된 프로토콜에 따라 실험 쥐에 진통을 마취시키고 제공합니다.
- 원하는 허벅지를 면도하고 알코올, 베타딘으로 정화하고 알코올로 마무리하여 베타딘의 흔적을 제거하십시오.
- 수술 준비 테이블에서 수술 용 현미경 테이블로 동물을 옮기고 체온 유지를위한 온도 프로브가있는 가열 패드에 놓습니다. 이소플루란을 2-2.5%로 유지하고 산소를 0.8-1 L/min로 유지하십시오.
- 절개를 표시, 무릎의 열등한 부분에 단지 말단에서 sciatic 노치로 확장. 이 표시는 대퇴골보다 열등하고 멀리 기울어져야합니다. 기본 이두근 femoris 근막을 통해 절개 #15 블레이드로 절개를합니다.
- 조심스럽게 이두근 femoris 근육을 통해 해부 중 지저분하거나 무딘 팁 마이크로 가위 가위 기본 이두근 femoris공간에.
참고: 자골신경은 처음 절개된 것과 거의 같은 방향으로 이동합니다. 세 가지가 있다, 일반적으로 sural 신경 후방 및 일반적인 peroneal 및 경골 신경 여행 피상적 및 무릎에 깊은, 각각. - 일반적인 peroneal (CP) 신경의 확인에 따라, 마이크로, 미세 팁 집게 및 마이크로 가위 한 쌍을 사용하여, 주의 깊게 다른 좌골 가지에서 CP 신경을 분리하고 모든 느린 결합 조직을 제거.
- 신경이 무릎 의 표면을 교차하는 지점에서 마이크로 가위로 신경을 급격히 전환합니다.
참고 : 날카로운 가위를 사용하는 것은 신경에 중요한 외상을 일으키는 신경 종 형성의 위험을 증가시킬 수 있기 때문에이 단계에서 매우 중요합니다. - CP 신경에서 남아 있는 결합 조직을 조심스럽게 풀어내고 약 2 cm의 길이로 신경을 풀어 주려고 근면하게 일합니다.
4. C-RPNI 구조 제작
- 식염수 축축한 거즈에서 근육 이식편을 제거하고 모든 중앙 건성 조직과 작은 중앙 부분의 에미슘을 제거합니다. 건반 끝을 그대로 둡니다.
- 8-0 사용 나일론 봉합사, 신경의 양쪽에 두 개의 중단 된 바늘과 상피의 결여 근육 이식의 영역에 CP 신경의 transected 끝의 상피를 확보.
- 단일 6-0 나일론으로 대퇴골 골막에 근육 이식편을 고정하여 대퇴골에서 멀리 향하는 신경 근육 접합부로 근위축을 모두 근위축성 및 경도적으로 중단시켰습니다.
참고: 근육을 고정하여 정상적인 이완 길이로 유지합니다. 근육을 크게 스트레칭하거나 고정 할 때 너무 많은 느슨함을 남기지 않도록하십시오. - 8-0 배치 나일론 스티치 근육 이식에 열등한, 근육 이식 에피미슘의 중앙 마진, 근육 이식 내의 신경에 느슨함을 생성하고 나중에 앰블리션으로 노출될 수 있는 미래의 긴장을 완화하는 데 도움이 되는 방식으로 CP 신경 상피에 고정한다.
- 식염수 축축한 거즈에서 피부 이식편을 제거하고 신경과 근육의 대부분을 완전히 덮는 방식으로 근육 이식편에 배열하십시오. 진피의 깊은 여백이 근육에 놓여 있는지 확인하십시오. 근육의 테두리를 넘어 확장되는 진피를 다듬습니다.
- 8-0을 사용하여 근육 이식편을 둘레에 고정 나일론은 봉합사를 중단. 일반적으로 구술의 크기에 따라 총 봉합사가 4-8개가 사용됩니다.
- 5-0 크로믹 봉합사로 실행 중인 방식으로 구조물 위에 이두근 페모리스 근막을 닫습니다.
- 러닝 패션에서 4-0 크로믹 봉합사로 오버리 스킨을 닫습니다.
- 알코올 패드로 수술 부위를 면봉하고 항생제 연고를 적용하십시오.
- 흡입 마취를 중단하고 쥐가 케이지 메이트와 분리된 음식과 수원으로 회복할 수 있도록 하십시오.
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Representative Results
쥐가 감염을 개발하거나 외과 마취를 생존하지 않는 경우 건설 제작은 실패한 것으로 간주됩니다. 이전 연구는 이러한 구조가2,3,17,36을재설계하고 재심하는 데 약 3 개월이 필요하다고 밝혔습니다. 3개월의 복구 기간에 따라 구사 테스트를 통해 실행 가능성을 검사할 수 있습니다. 3개월 후 구조물의 외과적 노출이 성공하면 근육과 피부가 회복될 수있습니다(도 3). 때때로, 자유 근육과 진피 이식편은 흉터 조직으로만 구성될 수 있으며/ 또는 신경은 구성에 부착되지 않을 것입니다. 이러한 결과는 실패한 시도를 나타냅니다. 그러나, 성공하는 경우, 구조에 근접 집게와 일반적인 peroneal 신경의 부드러운 압박은 눈에 보이는 근육 수축을 초래할 것이다(비디오 1). 구성물의 조직학적 분석은 실행 가능한 피부, 신경 및 근육을 입증해야합니다(그림 4). 면역 염색은 또한 그들의 신경 근육 접합부 및 감각 끝 기관에 모터 및 감각 신경 reinnervation를 각각 드러낼 것입니다(그림 5). 일반적인 항만 신경이 그 조직을 재인두지 않는 경우에, 면역 염색은 이식된 신경 자체를 제외하고 구조물 내의 어떤 개별적인 신경 섬유든지 설명하지 않을 것입니다.
전기 생리학적 시험은 생체 내에서 이러한 구조들에 대해 수행될 수있다(도 6); 이전 연구는 C-RPNI 제작36 (표 1)에따라 3 및 9 개월에 실시되었습니다. 근위 공통 항만 신경에서 후크 전극을 가진 최대 자극에 이어, 근위축성 신경으로부터의 이륙에 말단하게, 화합물 근육 작용 전위(CMAP)는 눈에 보이는 근육 수축을 가진 근육 성분에서 측정될 수 있다. 근육에 사용되는 전극의 종류는 선호도에 따라 다를 수 있지만, 상피 패치, 에피미시 패드 및 양극성 프로브 전극은 이 연구에서 성공적으로 사용되었습니다. 근육에서 기록된 평균 CMAP 진폭은 3개월에서 8.7±1.6 mV였고, 9개월에 10.2±2.1 mV였다. 평균 전도 속도는 3개월에서 10±1.2 m/s, 9개월에서 9.5±0.6 m/s였다. 이에 비해, 생리학적 EDL 근육에 의해 생성된 CmAP는 전형적으로 10-18 mV37범위이다. C-RPNI의 진피 성분에서 자극을 받은 후, 화합물 감각 신경 작용 전위(CSNAPs)는 근위 공통 항만 신경에서 생성되었으며, 평균 CSNAP 진폭은 3개월및 9개월에 142.9±63.7 μV에서 113.7±35.1 μv를 측정하였다. 도 7은 그래픽 형식으로 전기 생리학적 테스트 중에 얻은 단일 및 합산 CMAP 및 CSNAP 신호를 도시한다.
C-RPNI는 신경의 고유 마이크로볼트 신호를 증폭시키는 역할을 하며, 이전 연구는 마이크로볼트에서 밀리볼트 수준38로충분한 증폭을 입증했다. 따라서 구문이 해당 수준의 증폭을 제공하지 않으면 성공한 것으로 간주되지 않습니다. C-RPNI의 진피, 근육 또는 두 구성 요소가 모두 실패하면 테스트결과 활용된 자극 신호를 모방하는 기록이 생성됩니다. 특히 근육 성분의 경우, 최적이 아닌 결과(그러나 여전히 작동으로 간주되는 결과)는 신호 자극 값과 생리적 EDL 근육 사이에 속하는 범위에서 CMAP 진폭 및 전도 속도를 가지는 결과일 것입니다. 또한 이러한 신호는 감쇠되고 특성 CMAP 파형이 부족할 수있습니다(도 8A). 진피 성분의 수준에서 최적이 아닌 결과가 발생할 수 있지만 쥐가 경험하는 감각의 품질을 표현할 수 없다는 점을 감안할 때 정량화하기가 어렵습니다. 이러한 최적이 아닌 결과는 일반적으로 상당한 배경 잡음이 있는 파형의 감쇠를 포함합니다(그림8B). 그러나, 피부 이식의 중요한 흉터 또는 callusing가 있는 경우에, 또는 최소한의 이식은 살아남은, 어떤 CSNAPs는 자극 값에 관계없이 근위 일반적인 항만 신경에서 평가되지 않을 것입니다.
그림 1: C-RPNI 구문의 예시적 회로도. 일반적인 peroneal 신경은 상부 진피 층과 하부 근육 층 사이에서 확보된 것을 볼 수 있습니다. 이 구조는 EDL의 건성 접합을 통해 대퇴골 골반을 근위축하고 경솔하게 고정합니다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.
그림 2: 트랜스 레이디얼 절단 환자에서 C-RPNI의 그림 표현. 사용자는 이식된 말초 신경을 통해 C-RPNI에 원심 모터 신호로서 전달되는 대뇌 수준(예를 들어, 집게 손아귀)에서 원하는 모터 의도를 형성한다. 이 신호는 이식된 전극에 의해 기록되고 보철 장치에 의해 인식되는 근육 성분에서 화합물 근육 작용 전위(CMAP)를 생성하여 원하는 모션을 생성합니다. 장치의 손끝에 있는 센서는 생성된 압력의 양을 인식하고 해당 정보를 C-RPNI의 진피 성분에 이식된 전극에 전달합니다. 이러한 신호는 해당 감각 말단 기관을 활성화하여 말초 신경을 통해 감각 피질로 전달되는 구심성 화합물 감각 신경 작용 전위(CSNAP)를 생성합니다. 각 구성 요소에서 생성된 예제 신호는 각 구성 요소 옆에 있는 파란색 상자 안에 표시됩니다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.
그림 3: 생체 내 C-RPNI. (A)C-RPNI는 제조 직후와(B)전기 생리 학적 검사 시 3 개월 후 시공. 근육 성분은 구성물의 깊은 층과 진피, 피상적이다. 근육 조직은 (M), 진피 (D), 및 일반적인 항만 신경 (N)에 의해 표시됩니다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.
그림 4: C-RPNI 6개월. C-RPNI H&E(A)단면 및(B)세로 섹션에서 6 개월. (M), 진피 (D), 신경 (N)에 의해 지적 된 근육. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.
그림 5: C-RPNI의 면역 염색. (A)근육 조직의 단면의 대표적인 예, 신경 근육 접합을 식별 하는 빨간색 화살표. 중앙 신경 근육 접합부 (NMJ)의 더 높은 배율은 오른쪽 하단에 그림입니다. (B)샘플에 언급 된 신경 근육 접합의 클로즈업. 에 대 한 (A)및(B),붉은 염색 (알파-bungarototoxin) 근육 조직에 해 수용 체의 존재를 나타냅니다. 파란색 (신경 필라멘트 200) 신경 조직 내에서 신경 필라멘트의 존재를 지정; 및 녹색 (콜린 아 세 틸 트랜스 퍼 시라제) 노트 특히 모터 뉴런 존재. (C)진피에 초점을 맞춘 iDISCO 이미지의 대표적인 예는, 진피에 들어가는 감각 뉴런(흰색)을 표시하는 빨간색 화살표와 함께. (D)여러 감각 뉴런을 보여주는 iDISCO의 온레이 뷰(흰색, 신경필라멘트 200). 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.
그림 6: 전기 생리학적 테스트 회로도. 상단 이미지는 C-RPNI 구문 테스트를 위한 표준 전극 배열의 그림입니다. C-RPNI의 근육 및 진피 구성 요소 모두에 패치 및/또는 프로브 전극이 있으며, 이중 후크 전극은 일반적인 항문 신경에 근접해 있습니다. 하단 이미지는 쥐 대상체에 대한 시험 배열의 생체 내 예이다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.
그림 7: 전형적인 C-RPNI 전기 생리학적 신호. (a)CP 신경에 가해진 5.00 mA 신호에 이어 근육 성분에 기록된 단일 CMAP 신호. (B)신경에서 5.00 mA 자극에 의해 생성된 24CMAP. (C)근위 CP 신경으로부터 기록된 단일 CSNAP 신호는 900 μA에서진피 성분 자극을 따르는 다이어프론CP 신경으로부터 기록된 일련의 CSNAPs를 500 μA에서 1000 μA로 진피 성분에서 증가시 후 근위 CP 신경으로부터 기록된 일련의 CSNAPs.
그림 8: 비정상적인 C-RPNI 신호. (A)0.2 에서 4 mA에서 CP 신경 자극을 램핑하면서 얻은 일련의 CMAPPs. 파형은 서로 다른 지점에서 피크를 형성하고 기준선으로 돌아오지 못하여 결함이 있는 전극또는 전체 구성 기능이 부적당할 수 있음을 나타냅니다. (B)진피 성분을 자극하면서 얻어진 CSNAPs의 합계는 0.1 ~ 5 mA를 램핑한다. 이 사실 인정은 오작동 전극 (들), 진피 이식 상처, 및 / 또는 신경 손상을 포함하여 다양한 이유로 발생할 수 있습니다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.
| 3개월 데이터 | CMAP 데이터 (CP 신경 자극 및 근육 이식에서 기록) | CSNAP 데이터 (피부 이식 자극 및 CP 신경에서 기록) | |||||
| 쥐 ID 번호 | 구조 중량(g) | 자극 진폭 (mA) | 전도 속도(m/s) | V 피크-피크(mV) | 자극 진폭 (mA) | 전도 속도(m/s) | V 피크-피크(μV) |
| 4607 | 0.087 | 4.17 | 11.3 | 10.3 | 18 | 11.1 | 121 |
| 4608 | 0.15 | 1.65 | 11.1 | 17.1 | 7.7 | 6.5 | 136 |
| 4611 | 0.113 | 8.3 | 9.6 | 11.2 | 10 | 10 | 121 |
| 4613 | 0.116 | 3.18 | 10 | 9.6 | 1.44 | 8.3 | 134 |
| 4614 | 0.189 | 3 | 10.8 | 9.6 | 7.39 | 9 | 151 |
| 4616 | 0.122 | 5.2 | 9.4 | 14.9 | 1.8 | 9.1 | 100 |
| 4620 | 0.118 | 2.91 | 7.6 | 7.4 | 8.7 | 10 | 219 |
| 9개월 데이터 | CMAP 데이터 (CP 신경 자극 및 근육 이식에서 기록) | CSNAP 데이터 (피부 이식 자극 및 CP 신경에서 기록) | |||||
| 쥐 ID 번호 | 구조 중량(g) | 자극 진폭 (mA) | 전도 속도(m/s) | V 피크-피크(mV) | 자극 진폭 (mA) | 전도 속도(m/s) | V 피크-피크(μV) |
| 4687 | 0.238 | 1.35 | 9.6 | 18.2 | 0.99 | 11 | 181 |
| 4688 | 0.131 | 1.08 | 10 | 8.8 | 1.11 | 8 | 132 |
| 4689 | 0.26 | 1.26 | 9.6 | 21.8 | 1.9 | 8.6 | 237 |
| 4690 | 0.192 | 4.2 | 8.3 | 12.8 | 해당 /a | 해당 /a | 해당 /a |
| 4691 | 0.213 | 1.38 | 10 | 18.6 | 6.6 | 8 | 153 |
| 4693 | 0.178 | 1.11 | 9.6 | 15.1 | 8.7 | 8.3 | 306 |
표 1: 시공 후 3개월 및 9개월 동안 C-RPN의 전기 생리학적 테스트. CmAP를 얻기 위하여는, 기록 전극은 근위 일반적인 항추 신경에 자극하는 전극을 가진 근육에 두어졌습니다. 진폭에서 증가하는 일련의 자극은 최대 CMAP 값을 얻고 결과를 기록할 때까지 신경에 적용되었다. 유사한 방법론이 진피 성분에 적용되었지만 기록 전극을 신경에 배치하고 진피에 전극을 자극합니다. 9개월에 쥐 4690의 감각 평가를 위해, 진피 이식편은 시험을 허용하기에 너무 흉터가 있는 것으로 나타났다.
비디오 1: C-RPNI 내의 근육 수축. 한 쌍의 집게는 비디오의 왼쪽에 부드럽게 근위 공통 항만 신경을 압박볼 수 있습니다. 이 시청자에 게 볼 수 있는 3 개월 된 C-RPNI의 근육 구성 요소의 수축 결과. 이 비디오를 보려면 여기를 클릭하십시오 (다운로드 오른쪽 버튼을 클릭하십시오).
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Discussion
C-RPNI는 구심성 감각 피드백의 제공과 대상 신경의 모터 원심 신호의 동시 증폭을 제공하는 새로운 구조입니다. 특히, C-RPNI는 운동및 감각 근막이 수술 중 기계적으로 쉽게 분리될 수 없기 때문에 근위 절단수술을 받은 사람들에게 독특한 유용성을 가지고 있습니다. 대신, C-RPNI는 신경 자체의 고유우자 적 재심 특성을 활용하여 신경 근육 접합부로 의 관능 적 말단 장기 및 모터 섬유에 감각 섬유 의 회심을 장려합니다.
C-RPNI 제조는 대상 신경의 재원화 능력에 의존하기 때문에, 신경의 주의 깊은 취급은 절차 도중 가장 중요합니다. 해부 하는 동안, 대상 신경에 직접 조작 을 방지, 그리고 외상. 신경을 취급해야 하는 경우에, 대신 에피누움 또는 주변 결합 조직을 조작하는 것이 좋습니다. 우리의 실험실이 이 구조물 내의 neuroma 대형을 접하지 않더라도, 이론적으로, 중요한 신경 외상은 리스크를 증가시킬 수 있었습니다. 이 과정에서 또 다른 중요한 단계는 진피 이식편을 수확하는 것입니다. 모든 표피 조직은 보존 된 표피가 치유 과정에서 감염 및 포함 낭종의 위험을 증가시킬 수 있기 때문에 뒷발 이식편에서 제거해야합니다. 또한, 진피 이식편은 이식편 전체에 걸쳐 imbibitiiiiiiiiii및 revascularization을 촉진하고 중요한 허혈 및 괴사를 피하기 위하여 적당하게 얇게 되어야 합니다.
C-RPNI로 수행 된 연구의 대부분은 일반적인 항추 신경에 수행되었지만, 어떤 혼합 감각 운동 신경은 대체 될 수있다. 순수한 운동 또는 순수한 감각 신경을 이용될 수 있었습니다, 그러나 결과는 예측하기 어렵고 확률이 크게 근육 또는 진피 reinnerdation, 각각 귀착될 것입니다. 근육 이식에 관해서는, 신경을 접촉하는 부분에서 상피슘이 제거되는 한, 크기가 유사한 어떤 근육 이식편도 근처 골막에 고정하기에 적합한 양쪽 끝에 힘 또는 근막 조직을 포함하는 한 이용될 수 있었습니다. 진피 이식편을 위해, 글라브로스 조직은 접목 다음 머리 성장을 위한 잠재력 때문에 특히 이용됩니다. 비 화려 피부는 이전에 시도되었다, 하지만 개별 모낭을 제거하는 어려움으로 인해, 모든 결과 구성은 상당한 머리 성장을했다, 염증, 3 개월 성숙 기간 다음 흉터. 부가적으로, 다른 쥐 종은 고용될 수 있지만, 루이스와 피셔 랫트는 많은 다른 쥐 종들이 신경성분절(39,40)에이차적으로 절단될 것이기 때문에 이 실험을 위해 권장된다.
프로시저와 결과 사이의 지연을 감안할 때, 메서드를 변경해야하는 경우 미리 알기가 어렵습니다. 감염은 우리의 실험실에 의해 드물게 생기는 이론적인 리스크입니다, 그러나 감염이 생기는 경우에, 항생제에 전형적으로 반응합니다. 때때로, 쥐는 dehiscence를 일으키는 원인이 되는 그들의 절개에 chew, 이것은 세척으로 취급될 수 있습니다, debridement, 및 재폐쇄. 노출 시 3개월 이후에 구문이 작동하지 않거나 흉터가 있는 것으로 판명되면 몇 가지 잠재적인 원인이 있습니다. 때때로 신경이 적어도 3 개의 봉합사를 가진 구조물에 올바르게 고정되지 않으면 신경이 앰블리스와 함께 구조물에서 찢어지 수 있습니다. 추가적으로, 근육 및/또는 진피 이식은 실패를 일으키는 원인이 되는 necrose 수 있습니다. 전형적으로, 이것은 반복한 감염의 결과입니다, 진피 이식편이 너무 두껍거나, 또는 제대로 복구하기 위하여 수확에 너무 손상된 근육. 또한, 근육휴식 길이에 periosteum에 고정되지 않은 경우, 수축은 테스트 하는 동안 부적당 한 신호를 일으키는 손상 될 수 있습니다. 때때로 구문은 실행 가능한 것처럼 보이지만 테스트시 적절한 CMAP/CSNAPs를 생성하지 못합니다(평균적으로 구문의 5-10%). 이는 장비 의 고장, 높은 전극 임피던스 또는 중요한 피부 캘러싱에 보조적일 수 있습니다. 피부 캘싱은 제조 중에 진피가 제대로 얇아지지 않으면 신호 변환을 약화시키고 완전히 차단할 수 있습니다. 테스트 프로세스 중에 앞에서 설명한 이벤트가 자주 나타나면 프로토콜로 돌아가서 적절한 변경을 수행해야 합니다. 90개 이상의 성공적인 C-RPNI 구성을 보유한 실험실의 경험에서, 우리의 실패율은 <5%이며 일반적으로 제작 중 수술 오류에 기인합니다.
일반적으로 신경 신호를 증폭하거나 기록하기 위해 사용되는 방법은 유연한 신경 판18,초신경 커프 전극19,20,21,22,23,조직 관통 전극24,25,31, 32,및 혈관내 전극26,27,28,모두 연관되었습니다. 조직 손상, 축 색 변성, 및 / 또는 흉터 조직 형성. 이러한 흉터는 종종 만성내이물질반응(29)과 영의변둘리(30)의차이에 의해 유발된 전단 스트레스에 기인한다. C-RPNI는, 그러나, 생물학적 구조이고 따라서 신경 조직에 있는 이물 바디 반응을 유도하지 않습니다. 또한, 그것의 기계적 특성은 전극 보다 신경 조직에 가까운 몇 가지 요인. 이 견본의 조직학 분석은 만성 사용을 가진 신경에 있는 흉터 조직 대형의 어떤 중요한 정도도 설명하지 않았습니다, 따라서 C-RPNI가 위에 열거된 방법에 비교하여 연장된 기간 동안 신경과 인터페이스하는 것을 허용하. 이 방법은 원심성 모터 신호의 증폭에 매우 효과적이지만, 감각 구심성 신호 생산과 관련하여 제한됩니다. 우리는 C-RPNI36의진피 성분의 기계적 및 전기적 자극으로 생성 된 신호 변환을 측정하고 특성화했습니다. 그러나, 이러한 쥐 과목이 구조의 자극에서 유도 감각의 종류 또는 정도 자격을 수 없습니다. 이와 같이, 이 때 C-RPNI가 감각에 관하여 생성하는 효력의 어떤 종류를 알 수 없습니다. 이 구조에 대한 미래의 방향은 설치류 뇌의 감각 피질에서 생성 된 체감각 유발 전위와의 상관 관계뿐만 아니라 특정 제공 된 자극 (예를 들어, 열, 통증, 압력 등)에 따라 근위 신경에서 생성 된 신호의 특성을 포함합니다. C-RPNI에 대한 포괄적인 기반을 마련하여 인간 과목에 대한 임상 번역의 길을 열어주는 것이 당사의 연구실의 목표입니다.
C-RPNI의 전신인 RPNI(재생 말초 신경 인터페이스)는 이전에 탈지된 신경 근육 접합부에서 모터 섬유를 재구속하는 절제된 신경에 부착된 자유 근육 이식편으로 구성됩니다. RPNI는 인간 과목에서 유용성을 입증했으며, 여러 환자가 이러한 RPNI34에서증폭되고 기록된 신호로부터 고급 보철을 제어합니다. 게다가, 이 RPNIs는 보철 통제를 넘어 유익한 처리 효력을 설명했습니다, 감소된 신경종 대형을 보여주는 몇몇 예비 회고와 장래 연구 결과, 만성 고통, 및 사지 절단을 가진 그 환자에 있는 환영 사지 고통. 이러한 성공에도 불구하고, 이러한 고급 보철을 활용하는 사람들에게 공통적인 불만은 이러한 보철물들이 프로리오셉션이 부족하고 최소한의 감각 피드백을 제공하기 때문에 사용 중에 보철을 시각화할 필요가 있습니다. C-RPNI는 진피 성분을 통해 감각 피드백을 전달할 수 있는 방법을 제공함으로써 이러한 일반적인 비판에 대한 해결책이 될 수 있으며, 이는 많은 것을 원하는 이상적인 보철물을 실현하는 데 이르게 합니다.
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Disclosures
저자는 아무런 공개가 없습니다.
Acknowledgments
저자는 전문적인 기술 지원에 대한 야나 문 에게 감사드립니다. 이 논문에 제시된 연구는 SK에 R21(R21NS104584) 보조금을 통해 지원되었다.
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| #15 Scalpel | Aspen Surgical, Inc | Ref 371115 | Rib-Back Carbon Steel Surgical Blades (#15) |
| 4-0 Chromic Suture | Ethicon | SKU# 1654G | P-3 Reverse Cutting Needle |
| 5-0 Chromic Suture | Ethicon | SKU# 687G | P-3 Reverse Cutting Needle |
| 6-0 Ethilon Suture | Ethicon | SKU# 697G | P-1 Reverse Cutting Needle (Nylon suture) |
| 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 |
| Fluriso (Isofluorane) | VetOne | 13985-528-40 | Inhalational Anesthetic |
| Micro Motor High Speed Drill with Stone | Master Mechanic | Model 151369 | Handheld rotary tool; kit comes with multiple fine grit stones |
| 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 |
| 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 |
References
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