הרשמה ל-JoVE נדרשת לצפייה בתוכן זה. התחברו או התחילו בגרסת ניסיון בחינם.

מאמר שיטה

ארגז כלים מבוסס MRI לתכנון נוירוכירורגי בפרימטים לא אנושיים

4.5K צפיות

⸱

DOI:

10.3791/61098

⸱

17 ביולי 2020

 ,  ,  ,  ,  ,  ,  , 
1Bioengineering Department, University of Washington, 2Washington National Primate Research Center, University of Washington, 3Electrical and Computer Engineering Department, University of Washington, 4Department of Ophthalmology, SUNY Downstate Health Sciences University, 5Radiology Department, University of Washington

במאמר זה

סיכום

השיטה המתוארת להלן נועדה לספק פרוטוקול מקיף להכנת נוירוכירורגיה יונקים לא אנושיים (NHP) באמצעות שילוב חדשני של שיטות הדפסה תלת מימדיות (תלת מימד) וחילוץ נתוני MRI.

תקציר

בנייר זה, אנו מתארים שיטה להכנה כירורגית המאפשרת תכנון מעשי של מגוון נוירוכירורגיות ב NHPs אך ורק באמצעות נתונים המופקים הדמיית תהודה מגנטית (MRI). פרוטוקול זה מאפשר לדור של מודלים פיזיים מדויקים אנטומית מודפסים בתלת-ממד של המוח והגולגולת, כמו גם מודל ג'ל agarose של המוח מידול חלק מהמאפיינים המכניים של המוח. מודלים אלה ניתן לחלץ MRI באמצעות תוכנת מיצוי המוח עבור המודל של המוח, קוד מותאם אישית עבור המודל של הגולגולת. פרוטוקול ההכנה מנצל את טכנולוגיית ההדפסה בתלת-ממד העדכנית ביותר כדי ליצור התבכות במוח, גולגולות ותבניות למודלים של מוח ג'ל. מודלים הגולגולת והמוח יכול לשמש כדי לדמיין את רקמת המוח בתוך הגולגולת עם תוספת של פתיחת גולגולת בקוד המותאם אישית, המאפשר הכנה טובה יותר לניתוחים ישירות מעורבים במוח. היישומים של שיטות אלה מיועדים לניתוחים המעורבים גירוי נוירולוגי והקלטה, כמו גם הזרקה, אבל הרב-תכליתיות של המערכת מאפשרת הרחבה עתידית של הפרוטוקול, טכניקות החילוץ, ומודלים להיקף רחב יותר של ניתוחים.

מבוא

מחקר יונקים היה צעד מרכזי בהתקדמות המחקר הרפואי ממודלים של בעלי חיים לניסויים בבניאדם 1,2. זה במיוחד במחקר של מדעי המוח והנדסה עצבית כפי שיש פער פיזיולוגי ואנטומי גדול בין מוח מכרסמים ואלה של פרימטים לא אנושיים (NHP)1,2,3. עם טכנולוגיות גנטיות מתפתחות כגון כימותרפיה, אופטוגנטיקה, והדמיית סידן הדורשים שינוי גנטי של נוירונים, מחקר הנדסה עצבית החוקר תפקוד עצבי ב NHP זכה לתשומת לב מיוחדת כמודל פרה-קליני להבנת תפקוד המוח2,4,5,6,7,8,9,10,11,12,13,14,15,16. ברוב ניסויי מדעי המוח של NHP נדרשים אמצעים נוירוכירורגיים להשתלה של מכשירים שונים כגון עמדות ראש, תאי גירוי והקלטה, מערכי אלקטרודהוחלונות אופטיים 4,5,6,7,10,13,14,15,17,18.

מעבדות NHP הנוכחיות להשתמש במגוון שיטות הכוללות לעתים קרובות שיטות לא יעילות כולל להסתם את החיה כדי להתאים את הרגליים של ראש לעמוד וערך עקמומיות של הגולגולת סביב אתר פתיחת הגולגולת. מעבדות אחרות מתאימות את העמדה הראשית לגולגולת בניתוח או משתמשות בשיטות מתקדמות יותר להשגת המדידות הדרושות להשתלה כמו ניתוח אטלס מוחי NHP ותהודה מגנטית (MR) סריקות כדי לנסות להעריך עקמומיותגולגולת 2,10,11,16. נוירוכירורגיות ב NHPs כרוכים גם זריקות נוזלים, מעבדות לעתים קרובות איןדרך לדמיין את מיקום ההזרקה הצפוי בתוך המוח 2,4,5,13,14 להסתמך אך ורק על מדידות סטריאוטיפיות והשוואה סריקות MR. שיטות אלה יש מידה של אי ודאות בלתי נמנעת מלהיות מסוגל לבדוק את התאימות הפיזית של כל הרכיבים המורכבים של השתל.

לכן, יש צורך בשיטה מדויקת לא פולשנית לתכנון נוירוכירורגי בNPS. כאן אנו מציגים פרוטוקול ומתודולוגיה להכנת השתלות וניתוחי הזרקה בבעלי חיים אלה. התהליך כולו נובע מסריקות MRI, שבהן המוח והגולגולת מופקים מהנתונים כדי ליצור מודלים תלת מימדיים (תלת-ממדיים) שניתן להדפיס בתלת-ממד. ניתן לשלב את מודלי הגולגולת והמוח כדי להתכונן לניתוחי פתיחת גולגולת, כמו גם לעמדות ראש ברמת דיוק מוגברת. מודל המוח יכול לשמש גם כדי ליצור עובש לליהוק של מודל ג'ל מדויק אנטומית של המוח. מוח הג'ל לבד ובשילוב עם גולגולת מופקת יכול לשמש כדי להתכונן למגוון רחב של ניתוחי הזרקה. להלן נותאר כל אחד מהצעדים הנדרשים עבור ארגז הכלים מבוסס MRI להכנת נוירוכירורגית.

הגישה מוגבלת. התחברו או התחילו תקופת ניסיון כדי לצפות בתוכן זה.

פרוטוקול

כל ההליכים בבעלי חיים אושרו על ידי המכון של אוניברסיטת וושינגטון לטיפול בבעלי חיים וועדת שימוש. שני קופי מקאו רזוס זכרים (קוף H: 14.9 ק"ג ו-7 שנים, קוף L: 14.8 ק"ג ו-6 שנים) שימשו.

1. רכישת תמונה

  1. להעביר את הקוף לסורק MRI 3T ולמקם את החיה במסגרת סטריאוטקסית תואמת MR(טבלת חומרים).
  2. להקליט את T1 רגיל (זווית היפוך = 8° , זמן חזרה / זמן הד = 7.5/3.69 s, גודל מטריצה = 432 x 432 x 80, משך רכישה = 103.7 s, Multicoil (טבלת חומרים), מספר ממוצעים = 1, עובי פרוסה = 1 מ"מ) תמונות MR אנטומיות.
    הערה: לבידוד מוצלח של הגולגולת, השתמש בפרמטרים של רכישת MRI המיושמות כאן כדי למקסם את ההפרדה בין הגולגולת למוח.

2. חילוץ המוח

  1. בתוכנה להדמיית MR לחילוץ המוח, בחר פתח | פתח תמונה. טען את T1 מגנטיזציה מהירה מוכן מהיר הדרגתי Echo (MPRAGE) סריקה שנרכשה בשלב 1.2 לתוך תוכנת הדמיה MR (טבלת חומרים).
  2. כדי לחלץ את המוח, תחת התפריט הנפתח תוספים בחר לחלץ מוח (BET). לחלץ בסף עוצמה סביב 0.5- 0.7 ולהגדיר את ערך מעבר הצבע של הסף ל- 0. השתמש שוב ושוב בפונקציית החילוץ בסף עוצמתי נמוך יותר ברצף עד שהסריקה מכילה רק את האנטומיה הקליפתית(איור 1B).
    הערה: זהו תהליך איטרטיבי מכיוון שהתוכנה אינה מיועדת למוח וחילוץ NHP אינה מדויקת
  3. תחת אזור העניין (ROI) תפריט בחר סף החזר השקעה ובחר את האפשרות עבור גלישת כיווץ ותלת-מיוד כדי ליצור מפת סיביות של המוח. כך תמיר את אמצעי האחסון לסיביות בינאריות ממדרג צבע, המייעל תהליכי יצירת מודלים עתידיים. בחר סף (בדרך כלל סביב 600) כדי לבודד את המוח מן הרקמה שמסביב. ניתן למצוא סף זה על-ידי ריחוף מעל החומר האפור. בחר אישור כדי ליצור את מפת הסיביות.
  4. כדי ליצור משטח, בחר בנה משטח תחת תפריט התמונה והזן את הסף המשמש לחילוץ המוח בשלב 2.3. לאחר מכן בחר אישור. ניתן להשתמש במשטח שנוצר כהפניה להתאמת ערך הסף כדי להפיק את הייצוג האיכותי ביותר של האנטומיה הממולחת (איור 1C).
  5. תחת הכרטיסיה קובץ בחר שמור או שמור בשם, ושמור את ההחזר על ההשקעה של המוח שחולץ כקובץ .nii או .nii.gz לשימוש ביצירת המודל של המוח.

3. מידול המוח

  1. בחר טען | בחר קבצים כדי להוסיף ולטעון את המוח שחולץ נשמר .nii או .nii.gz סוג קובץ בתוכנה לעיבוד תמונה רפואית (טבלת חומרים).
  2. רחף מעל התפריט הנפתח של ברוך הבא לכלי פריסה בסרגל הכלים מודולים והעבור לכל המודולים. מתפריט זה בחר את הפונקציונליות של העורך. לחץ על אישור באזהרה מוקפץ.
  3. מתפריט מודול עורך, בחר אפקט סף והתאם את מחווני טווח הסף כך שחלק מפת הסיביות המכילה את המוח ימודגש בכל שלושת הפרוסות. בעת טעינת מפת סיביות, התאמת שני המחוונים לערך של 1 בוחרת את המוח כולו. בחר החל.
  4. פתח את מודול יצרן הדגמים, ובתפריט הנפתח של אמצעי אחסון קלט בחר את קובץ מפת הסיביות שנוצר בשלב 3.3. תחת מודלים, בחר צור הירארכיית מודלים חדשה. לאחר הקצאת שם הדגם להירארכיה, בחר החל כדי ליצור את אמצעי האחסון.
  5. שמור את הקובץ בתבנית .stl
  6. כדי לשנות עוד יותר את מודל המוח, טען את קובץ ה- .stl כגוף גרפיקה תוכנת עיצוב בעזרת מחשב (Table of Materials)
    הערה: זה עשוי לקחת זמן, כמו משטחי המוח רשת מיובאים הם לעתים קרובות די מורכבים.
  7. לאחר ייבוא הקובץ, בעץ התכונה בצד שמאל של המסך לחץ על ילדי הגוף הגרפי ולדכא תכונות גרפיות מיותרות עד רק התכונות המכילות את המוח יישארו בקובץ. שמור את הקובץ הנותר כ- .prt לצורך טיפול נוסף וכ- .stl להדפסה בתלת-ממד. שמור את הקובץ הנותר כ- .prt לצורך טיפול נוסף וכ- .stl להדפסה בתלת-ממד.

4. יצוקת מוח

  1. טען את מודל המוח שחולץ ממקטע 3 לתוכנה לעיצוב בעזרת מחשב על-ידי פתיחת קובץ ה- .prt תחת מקטע התכונות של תפריט הוספה, בחר המר לגוף רשת שינוי. בחר את הגוף הגרפי של המוח והמר אותו.
  2. יצירת תבנית ימין ושמאל של המוח המלא
    1. לחץ על לחצן סקיצה ובחר את הישור העליון כמוסת הסקיצה. צייר מלבן המכיל את כל האונה הימנית או השמאלית של המוח. בחר את התכונה הבוס / בסיס extrude בעוד במערכון ולהבלט מלבן מעוקב כדי להכיל את החלק העליון של המוח.
      הערה: ייתכן שיהיה יהיה גוף הקוביה להיות מובלט בשני כיוונים כדי להכיל את כל חצי הכדור. הסיבה לכך היא נקודת האפס, שבו מישור ההבלטה ממוקם, עלול ליפול בתוך מודל המוח. הבלטה בשני הכיוונים מבטיחה כי התבנית תקיף את כל נפח העניין.
    2. תחת מקטע התכונות של תפריט 'הוספה', בחר המר לגוף רשת שינוי. בחר את הקוביה ההבלטה בתיקיה גופים מלאים והמיר אותה. כדי ליצור את החלל השלילי, הפחת את מודל המוח מהקוביה החדשה שהובלטה באמצעות התכונה 'שילוב' ובחר באפשרות חיסור.
    3. חזור על שלבים 4.2.1 ו- 4.2.2 עבור חצי הכדור השני של המוח (שמאל או ימין) ושמור את הקבצים המתווברים כ- .stl להדפסה בתלת-ממד ו- .prt למניפולציה נוספת.
  3. יצירת תבנית ימין ושמאל של החצי העליון של המוח.
    1. צור סקיצה במטוס העליון וצייר מלבן המכיל את כל האונה הימנית או השמאלית של המוח. בחר את התכונה extrude boss/base כאשר במערכון והבלט כאשר התכונה היסט ממטוס נבחרה. לקזז את ההבלטה עד למרחק שבו אין קווי מתאר תלויים באנטומיה של המוח, לכידת רק את האנטומיה העליונה. תחת מקטע התכונות של תפריט 'הוספה', בחר המר לגוף רשת שינוי. בחר את הקוביה ההבלטה בתיקיה גופים מלאים והמיר אותה.
    2. כדי ליצור את החלל השלילי, הפחת את מודל המוח מהקוביה החדשה שהובלטה באמצעות התכונה 'שילוב' ובחר באפשרות חיסור.
    3. צור מישור סקיצה בצד הגב של התבנית ובחר המר ישויות ולאחר מכן בחר את הסקיצה מתוך שלב 4.3.1.
    4. בחר את התכונה הבוס / בסיס extrude בזמן במערכון, עם האפשרות extrude עיוור נבחר, להבלט את הגוף המוצק כ 5 מ"מ כדי להקיף לחלוטין את האנטומיה המוח המנורע בתבנית.
    5. חזור על שלבים 4.3.1-4.3.4 עבור חצי הכדור השני של המוח (שמאל או ימין) ושמור את הקבצים המתווברים כ- .stl להדפסת תלת-ממד ו- .prt למניפולציה נוספת.
  4. על-ידי שינוי הממדים והמיקום של הקוביה ועקבות אותו פרוטוקול (שלבים 4.1 ו- 4.2), צור תבניות המכילות חלקים שונים של המוח.
  5. להדפסה בתלת-ממד, השתמשו בצפיפות מילוי של כ-70% והגבירו את עובי המעטפת הצדדית של ההדפסה כדי למזער את הדליפה של חומר היצוק. אם יש פערים או פגמים בהדפסה, מלא אותם באמצעות לק או סוכן מחייב אחר.

5. דוגמנות גולגולת

  1. יבא את ה-MRI המהיר MPRAGE מ- 1.2 לתוך תוכנת המניפולציה של מטריקס כקובץ DICOM. ייתכן שקובץ DICOM נמצא במסגרות דו-מידיות נפרדות. אם זהו המקרה, שלב את כל המסגרות למטריצת תלת-מיוד. ודא שכל מסגרת דו-מית-מית של המטריצה מציגה פרוסת קורונאל.
  2. צור מסיכה בינארית על-ידי סף מטריצת תלת-מיקוד באמצעות אופרטור גדול יותר מאשר עבור ערכי פיקסלים בודדים. התאם את הסף כך שאנטומיית הגולגולת נלכדת על-ידי המסכה (ראה קובץ קידוד משלים כיולMask).
    הערה: המסיכה תכיל ארבע שכבות נפרדות. מבחוץ פנימה, הם ייקרא "בחוץ", "musculature", "גולגולת", ו "מוח". בשלב זה, "בחוץ" ו"גולגולת" הם 0-s במסכה, ו "musculature" ו "מוח" הם 1 של.
  3. להסרת שכבת "שרירים", עבדו כל מסגרת מהמיסכה תלת-מימד בנפרד על-ידי תפיסת פרוסה דו-מימד מהסיכה (כלומר, 3D_Mask(::,,,1).).
    1. עבור כל מסגרת, בחר 0 פיקסלים מפינות המסגרת בשכבה "חיצונית" כ"זרע". לאחר מכן חפשו ב-0 שכנים עד שתיתקלו בפיקסל אחד. המשך לחפש עד שלא ניתן יהיה למצוא יותר 0. המר את כל ה-0 המחוברים ל-1. פעולה זו נעשית באמצעות הפונקציה Matlab "imfill", כאשר התשומות והיציאות נמצאות [MASK2] = imfill(MASK1, LOCATIONS, CONNECTIVITY), כאשר MASK1 היא המסיכה המקורית שלך, ומסכה2 היא המסיכה המילויה (ראה קובץ קידוד משלים FillExterior).
  4. חלק מהמידע על הגולגולת יאבד במהלך ההסרה. כדי לצמצם את אובדן המידע, בצע את שלב 5.3 בכל שלושת הממדים של הנתונים והפרד אותם.
    הערה: כעת הן "בחוץ" והן "musculature" הם 1 של, והם ייחשבו "בחוץ". המסכה מכילה כעת שלוש שכבות נפרדות, "בחוץ", "גולגולת" ו"מוח". "בחוץ" ו"מוח" הם של אחד, ו"גולגולת" זה 0.
  5. הפוך את ערכי המסיכה באמצעות האופרטור ~ (כלומר, MASK2 = ~ MASK1). עכשיו "גולגולת" היא 1 ו"בחוץ" ו"מוח" הם 0.
  6. ה-1 שנוגעים זה בזה בכל מסכה יכולים להיחשב כ"אובייקטים". צור אינדקס של כל העצמים בכל מסיכה באמצעות הפונקציה Matlab "bwconncomp", כאשר התשומות והיציאות הם [CC] = bwconncomp(MASK), כאשר MASK היא מטריצת המסיכה תלת-ממדית, ו- CC הוא אובייקט מבני המכיל את ערכי האינדקס של כל אובייקט, מספר האובייקטים וגודל המטריצה. עבור כל מסיכה, הסר את כל האובייקטים למעט האובייקט הגדול ביותר המכיל את ה- voxels ביותר על-ידי הגדרת הערכים של האובייקטים הקטנים יותר ל- 0 של (ראה קובץ קידוד משלים RemoveNoise).
  7. הוסף את המסיכות שנוצרו מכל מעבר יחד (ראה קובץ קידוד משלים MergeMasks).
  8. קנה את המוח לרזולוציה עקבית.
    1. מכותרת DICOM, השווה את גודל השלב בין כל מסגרת של ה-MRI לממדים של כל פיקסל.
    2. אם ערכים אלה שונים, הגדר מקדם קנה מידה כדי לפצות על ההבדל ברזולוציה בין גודל שלב לגודל פיקסל עבור כל voxel. לדוגמה, אם כל מסגרת נמצאת במרחק של מ"מ אחד זה מזה, וממד הפיקסלים הוא 0.33 מ"מ x 0.33 מ"מ, מקדם קנה המידה יהיה 3.
    3. הוסף voxels ריק נוסף למסיכת 3D עד ממד הרזולוציה הנמוכה ביותר של המסיכה גדול יותר על ידי גורם המוגדר על-ידי גורם קנה המידה (ראה קובץ קידוד משלים "ScaleMask").
    4. אינטרפולציה ליניארית של ערכים במסיכה עד שהמסיכה ממלאת את החלל החדש.
    5. יצא גולגולת כקובץ .stl או סוג קובץ דומה להדפסת תלת-ממד.

6. יצירת פתיחת גולגולת במודל הגולגולת 3D

  1. באמצעות קובץ ה-MRI ממדרגה 5.1, זהה באופן ידני את המיקום המשוער של פתיחת הגולגולת מציוןדרך אנטומישנמצא בארה"ב המוח מאקי (למשל, סולקוס מרכזי) 19 .
    1. הצג פרוסה בודדת של מטריצת תלת-מית-מיוד (בדומה לשלב 5.3).
    2. סרוק באופן ידני קדימה או אחורה דרך מטריצת תלת-ממדית עד לאתר ציוני דרך אנטומיים מוכרים.
    3. שמור את מספר המסגרת כאואורדינטת z (כלומר, 3D_Mask(:,,z)
    4. השתמש בכלי בחירת נתונים כדי לשמור את קואורדינטות x ו- y של נקודה אחת במסגרת זו כדי שתאורת הגולגולת תרכז באמצעות הפונקציה Matlab "getpts", כאשר התשומות והפלטים הם [x,y] = getpts. "getpts" פותח ממשק משתמש, לחץ על המסגרת הרצויה (ראה קובץ קידוד משלים LocateCraniotomy).
  2. המר את הרדיוס של פתיחת הגולגולת המיועדת מממ ל- voxels באמצעות המידע בכותרת DICOM.
  3. באמצעות הנקודה שצוינה בשלב 6.1 כקומת מרכז, הגדר את כל voxels בתוך הרדיוס המוגדר ב- 6.2 עד אפס במסיכה מ- 5.8.4 באמצעות קובץ קידוד משלים Craniotomy, שבו הכניסות והיציאות הן [craniotomyMask] = Craniotomy(מסיכה, x, y, z, רדיוס, X, Y, Z, Z, רזולוציה)שבו cranitomyMask הוא מטריצה 3D עם פתיחת הגולגולת הוסרה, מסכה היא מטריצת 3D הראשונית, x, y,z הם קואורדינטות נקודת המרכז של פתיחת הגולגולת, רדיוס הוא הרדיוס של פתיחת הגולגולת, X, Y, Z הם וקטורים רשת של מטריצת 3D, ורזולוציה היא הרדיוס שלך מוגדר בשלב 6.2 (ראה תוספת קובץ גולגולת).
  4. עבור פתיחת גולגולת מרובה, חזור על שלבים 6.1-6.3 עבור כל פתיחת גולגולת ייחודית.
  5. יצא גולגולת כקובץ .stl או סוג קובץ דומה להדפסת תלת-ממד.

7.3D הדפסה

הערה: נעשה שימוש בשני סוגים של מדפסות תלת-ממד לאבטיפוס פיזי(טבלת חומרים). עבור המפרטים הבאים, כל הגדרות מדפסת תלת-ממד ותוכנות הדפסה צריכות להיות ברירת מחדל אלא אם צוין אחרת.

  1. כדי להדפיס את אבות הטיפוס והתבניות, השתמש במדפסת PLA סטנדרטית(Table of Materials)וצור את קוד ה-G עם הגדרות המדפסת והתוכנה הבאות: צפיפות פנימית >50% (זה חשוב במיוחד עבור התבניות כפי שהם חייבים להחזיק נוזל), דפוס מילוי פנימי חלת דבש מהירה, דפוס מילוי חיצוני rectilinear, טמפרטורת לוח = 50 ° C, וטמפרטורת extruder = 230 °C.
  2. על מנת להדפיס מודלים נאמנות גבוהה יותר של המוח והגולגולת להשתמש במדפסת ברמה תעשייתית כדי להפוך הדפסה משולבת של acrylonitrile butadiene סטירן (ABS) עבור המודל וחומר תמיכה פתיר(טבלת חומרים). לאחר מכן צור את קוד ה- G ועם הגדרות המדפסת הבאות: סגנון מילוי דליל - צפיפות גבוהה. כל ההגדרות האחרות יוגדרו באופן אוטומטי להגדרת ברירת המחדל המתאימה.
    1. המס את המודל בממס תמיכה (טבלת חומרים ) עבור~ 12 שעות.
  3. לאחר יישום הגדרות המדפסת המתאימות, הקש Start וצפה בשכבה הראשונה של ההדפסה כדי להבטיח ששכבת הבסיס נקייה ואף.
  4. לאחר הדפסת תלת-ממד של התבניות, תקן את כל החורים הנראים לעין עם לק(טבלת חומרים)כדי להבטיח אטם הדוק יותר.
    הערה: ניתן לשלב את מודלי המוח והגולגולת המודפסים בתלת-ממד על-ידי הכנסת מודל המוח לתחתית הפתוחה של הגולגולת. הסרת אנטומיית העין יכולה להקל על מיקום מודל המוח מבלי לאבד מידע חשוב. כאשר הוא ממוקם בתוך הגולגולת, המוח מיישר באופן טבעי לתנוחה הנכונה מבחינה אנטומית.

8. הכנת אגרוז

  1. מערבבים את אבקת הגר(שולחן החומרים)ואבקת מסטיק שעועית ארבה(טבלתחומרים) ביחס של 1:4 במסה.
  2. מערבבים את תערובת האבקה עם תמיסת פוספט אחת(טבלת חומרים)לתמיסת ריכוז של 0.6% במבחנות ארלנומאייר.
    הערה: ריכוזים המשמשים מעבדות אחרות נופל בטווח של 0.5%-0.6%20,21.
  3. הגדר את המיקרוגל למקסימום כוח והניח את הבקבוקון המכיל את הפתרון במיקרוגל למשך 2 דקות.
  4. שים לב לפתרון. כאשר הפתרון מתחיל לבעבע, לעצור את המיקרוגל ואת זמן העבודה, להסיר את הבקבוקון, ולהסתחרר במרץ. להחזיר את הבקבוקון למיקרוגל ולחדש את המיקרוגל ואת זמן העבודה.
    הערה: המטרה היא לחמם את הפתרון מבלי להפחית את עוצמת הקול באופן משמעותי עקב אידוי במהלך הרתיחה.
  5. חזור על שלב 8.4 עד להשלמת שתי הדקות.
  6. הסר את הבקבוקון והחזק את המערבולת כדי למנוע את ההגדרה של הפתרון במבחנות.
  7. מים קרים בצד החיצוני של הבקבוקון כדי לקרר את הפתרון תוך כדי מערבולת. מצננים את הפתרון עד שהבלגן החיצוני חם למגע, אך נסבל ובטוח, כדי למנוע מהפתרון עיוות תבנית הפלסטיק בשלבים הבאים.
  8. מערבבים את הבקבוקון תוך העברת הפתרון לתבנית כדי למנוע התקשות מוקדמת.

9. עיצוב אגרוז

הערה: תהליך היצוק agarose המתואר להלן זהה עבור חצי הכדור המלא ותבניות חצי הכדור העליון

  1. יוצקים את תמיסת האגרוז לאחת תבניות המוח עד לקבלתו המלאה. המשיכו לערבב את הפתרון הנותר במבחנות.
  2. לפקח על רמת הפתרון בתבנית עבור דליפות. למלא את העובש כנדרש מאז ההגדרה agarose יהיה לאטום את כל דליפות בתבנית.
  3. אפשרו לתמיסה בתבנית לשבת ללא הפרעה בטמפרטורת החדר עד שהפתרון נקבע ומתקשה למוצק.
    הערה: בעוד זמני ההמתנה עשויים להשתנות בהתאם לנפח הפתרון ולגורמים אחרים, 2 שעות נמצא זמן המתנה אמין.
  4. השתמשו במית כדי להסיר בעדינות את דגם הג'ל מהתבנית. היו אסטרטגיים עם מיקום החדרת מרית לתוך התבנית כדי למנוע עיוותים פוטנציאליים על פני השטח של העובש.
  5. כדי להאט את תהליך האידוי הטבעי ואת החשיפה לחומרים ביולוגיים, מניחים את דגם הג'ל במיכל אטום במקרר.

10. הזרקה לתוך מודל ג'ל agarose

  1. הכינו את המשאבה לא אינפוזיה ותקן אותה בזרוע סטריאו-טאי-קסית על מסגרת סטריאו-קסית(Table of Materials). מקם את המשאבה למסלול ההזרקה הנכון ומיקום נורמלי על פני השטח של מודל הג'ל מסעיף 9.
  2. למלא מזרק 250 μL(שולחן של חומרים)עם מים DI. הר המזרק על המשאבה (טבלת חומרים).
    הערה: לפני ציור כל צבע, DI מים צריך למלא את ההזרקה (טבלת חומרים) לחלוטין. כך, כאשר הצבע נמשך דרך הנולה אין דחיסה או הרחבה של אוויר על ידי הבוכנה שעשויה להשפיע על נפח ההזרקה.
  3. השתמש נהג המשאבה(טבלת חומרים)כדי למשוך את צבע המזון (טבלת חומרים) לתוך המזרק לנפח היעד להזרקה. להזריק את צבע המזון לאט עד חרוז קטן נוצר בקצה הנולה כדי למנוע בועות אוויר מלהיזרק לתוך הג'ל. לייבש את החרוז את קצה הנולה.
  4. מקם את דגם הג'ל מתחת לתנולה. מנמיך את הנולה עד הקצה נוגע פני השטח של מודל הג'ל. שים לב למדידות על הזרוע הסטריאו-סטריאוטיפית.
  5. מנמיך את המנולה לתוך מודל הג'ל במהירות ובחלקה לעומק הזרקת היעד ולהבטיח כי פני השטח של הג'ל אטם סביב המנולה.
  6. הפעל את המשאבה ולצפות בהתפשטות של צבע המזון עד נפח היעד מוזרק. התחל עם flowrate של 1 μL / דקה ולהגדיל 5 μL / דקה עם 1 μL / דקה צעדים בכל דקה. התפשטות צבע המזון בג'ל היא קדה של התפשטות וקטור נגיפי במוח.
  7. מוציאים את הנולה מהז'ל במהירות ובחלקה.
  8. צלם תמונות של התפשטות צבע המזון עם מכשיר צילום(טבלת חומרים)ומדד פיזית את ממדי התסחיף כדי לחשב את נפח הליפסואיד של ההזרקה. גישה זו אפשרית בשל אופיו השקוף של הג'ל.

הגישה מוגבלת. התחברו או התחילו תקופת ניסיון כדי לצפות בתוכן זה.

תוצאות

המניפולציה והניתוח של MRIs כמדד תכנון פתיחת גולגולת לפני הניתוח שימש בהצלחהבעבר 2,5,10,16. תהליך זה, עם זאת, שופרה מאוד על ידי תוספת של מידול 3D של המוח, הגולגולת, ותאטומת הגולגולת. הצלחנו ליצור בהצלחה מודל פיזי מדויק אנטומית של המוח המשקף את תחום העניין של המחקרים שלנו (איור 1). הצלחנו באופן דומה ליצור מודל פיזי מדויק אנטומית של גולגולת הפרימטים שחולצו מתמונות MR ...

הגישה מוגבלת. התחברו או התחילו תקופת ניסיון כדי לצפות בתוכן זה.

דיון

מאמר זה מתאר ארגז כלים להכנת נוירוכירורגיה ב NHPs באמצעות מודלים פיזיים CAD של אנטומיה של הגולגולת והמוח שחולצו מסריקות MR.

בעוד מודלים גולגולת מודפס 3D 3D ומודלים המוח תוכננו במיוחד להכנת ניתוחי פתיחת גולגולת והשתלות פוסט ראש, המתודולוגיה משאילה את עצמה למספר יישומים אחרים. כפי שתואר קודם לכן, המודל הפיזי של הגולגולת מאפשר כיפוף מראש של העמדה לפני הניתוח, מה שיוצר התאמה טובה עם הגולגולת. יתר על כן, הגולגולת שחולצו מ-MRI יכול לשמש ליצירת עמדה 3D מעוצב עם נאמנות גבוהה יותר לאנטומיה של הגולגולת....

הגישה מוגבלת. התחברו או התחילו תקופת ניסיון כדי לצפות בתוכן זה.

גילויים

למחברים אין ניגודי עניינים לחשוף בשלב זה.

תודות

פרויקט זה נתמך על ידי המכון הלאומי לבריאות הילד ע"ש יוניס קנדי פיתוח אנושי של המכונים הלאומיים לבריאות תחת מספר פרס K12HD073945, וושינגטון הלאומי יונקים מחקר מרכז (WaNPCR, P51 OD010425), המרכז לנוירוטכנולוגיה (CNT, מרכז מחקר הנדסה קרן לאומית למדע תחת גרנט EEC-1028725) ואוניברסיטת וושינגטון רויאלטי קרנות מחקר. המימון למעבדות מקניק ומרטינז-קונדה לפרויקט זה הגיע מ-NSF-NCS Award 1734887, כמו גם פרסי NSF 1523614 ו-1829474, ומלגות SUNY Empire Innovator לכל פרופסור. אנו מודים לכראם ח'תיב על עזרתו בהכנת אגרוז, ולטוני ג'יי הואן על העזרה הטכנית.

הגישה מוגבלת. התחברו או התחילו תקופת ניסיון כדי לצפות בתוכן זה.

חומרים

רשימת החומרים שנעשה בהם שימוש במאמר זה
שםחברהמספר קטלוגהערות
תוכנת הדפסת תלת מימד (GrabCAD Print)Stratasysגרסה 1.36משמשת להדפסת תלת מימד באיכות גבוהה
תוכנת הדפסת תלת מימד (Simplify 3D)Simplify3Dגרסה 4.1משמשת להדפסת תלת מימד PLA
AgaroseBenchmark ScientificA1700משמש לייצור מוחות ג'ל
לק שחורצבעי לוס אנג'לסCNP637משמש ליציקת ג'ל
צינורית (ID 450 אום, OD 666 אום)Polymicro Technologies1068150625משמש להזרקת צבע לתוך
מחבר קטטרג'ל B BraunPCC2000Perifix עבור צנתרים אפידורליים של 20-24 Gage; יחידות לכל מדפסת Cs 50
Dremel 3D Digilab 3D45DremelF0133D45AAמשמש ליצירת אב טיפוס ב-PLA
ECOWORKSStratasys300-00104משמש להמסת מבני תמיכה QSR
בקבוק ErlymeyerPyrex4980משמש ליציקת ג'ל
אתיל ציאנואקרילטThe Original Super Glue Corp.15187משמש לייצור צינורית משולבת
צילינדר3023משמש ליציקת ג'ל
HATCHBOX PLA נימה למדפסת תלת מימדHATCHBOX3DPLA-1KG1.75-RED/3DPLA-1KG1.75-BLACK1 ק"ג סליל, 1.75 מ"מ, אדום/שחור
ארבה שעועית מסטיקמזווה מודרניסטי1018חומר גומי לתערובות מוח ג'ל
MATLABMathWorksR2019bמשמש עבור מיצוי גולגולת
מקורמיק צבע מאכל צהובמקורמיקמשמש להזרקת צבע
מיקרוגלPanasonicNN-SD975Sמשמש לריפוי אגרוז
תוכנת הדמיית MR (פורס תלת מימד)פורס תלת מימדגרסה 4.10.2משמש לדור מודל תלת מימד
תוכנת הדמיית MR (מנגו עם תוסף BET)מכון הדמיה Reasearchגרסה 4.1משמש למוח מיצוי
מערכת MRI של פיליפס Achivaפיליפס4522 991 19391משמש להדמיית פרימטים שאינם אנושיים
תמיסת פוספט חוצצתGibco70011-04410X מדולל עם מים DI למשאבה 1X
WPIUMP3T-1משמש
לדרייבר משאבתWPIUMP3T-1משמש למקרר הזרקת צבע
ג'נרל אלקטריקמשמש לשימור ג'ל אגרוז
מרית מדעיתVWR82027-494משמש לחילוץ תבניות ג'ל
SolidWorksDassault Systemes2019
Stratasys ABS-M30 נימהStratasys333-60304משמש להדפסת תלת מימד באיכות גבוהה
Stratasys F170 מדפסת תלת מימדStratasys123-10000משמש להדפסת תלת מימד באיכות גבוהה
תמיכת QSR של StratasysStratasys333-63500משמש ליצירת תומכים עם דגם ABS
מזרקSGESGE250TLLמשמש להזרקת צבע
מוח מדורג הזרקת צבע

מקורות

  1. Phillips, K. A., et al. Why primate models matter. American Journal of Primatology. 76 (9), 801-827 (2014).
  2. Macknik, S. L., et al. Advanced Circuit and Cellular Imaging Methods in Nonhuman Primates. Journal of Neuroscience. 39 (42), 8267-8274 (2019).
  3. Seok, J., et al. Genomic responses in mouse models poorly mimic human inflammatory diseases. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. 110 (9), 3507-3512 (2013).
  4. Ju, N., Jiang, R., Macknik, S. L., Martinez-Conde, S., Tang, S. Long-term all-optical interrogation of cortical neurons in awake-behaving nonhuman primates. PLoS Biol. 16 (8), 2005839(2018).
  5. Yazdan-Shahmorad, A., et al. Widespread optogenetic expression in macaque cortex obtained with MR-guided, convection enhanced delivery (CED) of AAV vector to the thalamus. Journal of Neuroscience Methods. 293, 347-358 (2018).
  6. Yazdan-Shahmorad, A., Silversmith, D. B., Kharazia, V., Sabes, P. N. Targeted cortical reorganization using optogenetics in nonhuman primates. Elife. 7, (2018).
  7. Ledochowitsch, P., et al. Strategies for optical control and simultaneous electrical readout of extended cortical circuits. Journal of Neuroscience Methods. 256, 220-231 (2015).
  8. Yao, Z., Yazdan-Shahmorad, A. A Quantitative Model for Estimating the Scale of Photochemically Induced Ischemic Stroke. Conference proceedings - IEEE Engineering in Medicine and Biology Society. 2018, 2744-2747 (2018).
  9. Yazdan-Shahmorad, A., Silversmith, D. B., Sabes, P. N. Novel techniques for large-scale manipulations of cortical networks in nonhuman primates. Conference proceedings - IEEE Engineering in Medicine and Biology Society. 2018, 5479-5482 (2018).
  10. Yazdan-Shahmorad, A., et al. A Large-Scale Interface for Optogenetic Stimulation and Recording in Nonhuman Primates. Neuron. 89 (5), 927-939 (2016).
  11. Yazdan-Shahmorad, A., et al. Demonstration of a setup for chronic optogenetic stimulation and recording across cortical areas in nonhuman primates. SPIE BiOS. , (2015).
  12. Han, X. Optogenetics in the nonhuman primate. Progress in Brain Research. 196, 215-233 (2012).
  13. Acker, L., Pino, E. N., Boyden, E. S., Desimone, R. FEF inactivation with improved optogenetic methods. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. 113 (46), 7297-7306 (2016).
  14. May, T., et al. Detection of optogenetic stimulation in somatosensory cortex by nonhuman primates--towards artificial tactile sensation. PLoS One. 9 (12), 114529(2014).
  15. Griggs, D. J., K, K., Philips, S., Chan, J. W., Ojemann, W. K. S., Yazdan-Shahmorad, A. Optimized large-scale optogenetic interface for nonhuman primates. SPIE BiOS. , (2019).
  16. Khateeb, K., Griggs, D. J., Sabes, P. N., Yazdan-Shahmorad, A. Convection Enhanced Delivery of Optogenetic Adeno-associated Viral Vector to the Cortex of Rhesus Macaque Under Guidance of Online MRI Images. Journal of Visualized Experiments. (147), (2019).
  17. Lucas, T. H., Fetz, E. E. Myo-cortical crossed feedback reorganizes primate motor cortex output. Journal of Neuroscience. 33 (12), 5261-5274 (2013).
  18. Jackson, A., Mavoori, J., Fetz, E. E. Long-term motor cortex plasticity induced by an electronic neural implant. Nature. 444 (7115), 56-60 (2006).
  19. Paxinos, G., Huang, X. F., Petrides, M., Toga, A. W. The Rhesus Monkey Brain in Stereotaxic Coordinates. 2nd Edition. , Elsevier Science. (2008).
  20. Krauze, M. T., et al. Reflux-free cannula for convection-enhanced high-speed delivery of therapeutic agents. Journal of Neurosurgery. 103 (5), 923-929 (2005).
  21. Chen, Z. J., et al. A realistic brain tissue phantom for intraparenchymal infusion studies. Journal of Neurosurgery. 101 (2), 314-322 (2004).
  22. Cheng, H., et al. Prolonged operative duration is associated with complications: a systematic review and meta-analysis. Journal of Surgical Research. 229, 134-144 (2018).
  23. Michikawa, T., et al. Automatic extraction of endocranial surfaces from CT images of crania. PLoS One. 12 (4), 0168516(2017).
  24. Soliman, A. S., et al. A realistic phantom for validating MRI-based synthetic CT images of the human skull. Medical Physics. 44 (9), 4687-4694 (2017).
  25. Blonde, J. D., et al. Customizable cap implants for neurophysiological experimentation. Journal of Neuroscience Methods. 304, 103-117 (2018).
  26. Overton, J. A., et al. Improved methods for acrylic-free implants in nonhuman primates for neuroscience research. Journal of Neurophysiology. 118 (6), 3252-3270 (2017).
  27. Lohmeier, J., Kaneko, T., Hamm, B., Makowski, M. R., Okano, H. atlasBREX: Automated template-derived brain extraction in animal MRI. Scientific Reports. 9 (1), 12219(2019).
  28. Ortiz-Rios, M., et al. Improved methods for MRI-compatible implants in nonhuman primates. Journal of Neuroscience Methods. 308, 377-389 (2018).
  29. Nishimura, Y., Perlmutter, S. I., Eaton, R. W., Fetz, E. E. Spike-timing-dependent plasticity in primate corticospinal connections induced during free behavior. Neuron. 80 (5), 1301-1309 (2013).
  30. Seeman, S. C., Mogen, B. J., Fetz, E. E., Perlmutter, S. I. Paired Stimulation for Spike-Timing-Dependent Plasticity in Primate Sensorimotor Cortex. Journal of Neuroscience. 37 (7), 1935-1949 (2017).
  31. Sedaghat-Nejad, E., et al. Behavioral training of marmosets and electrophysiological recording from the cerebellum. Journal of Neurophysiology. 122 (4), 1502-1517 (2019).
  32. Schweizer-Gorgas, D., et al. Magnetic resonance imaging features of canine gliomatosis cerebri. Veterinary Radiology & Ultrasound. 59 (2), 180-187 (2018).
  33. Galvan, A., et al. Nonhuman Primate Optogenetics: Recent Advances and Future Directions. Journal of Neuroscience. 37 (45), 10894-10903 (2017).
  34. Galvan, A., Caiola, M. J., Albaugh, D. L. Advances in optogenetic and chemogenetic methods to study brain circuits in nonhuman primates. Journal of Neural Transmission. 125 (3), 547-563 (2018).

הגישה מוגבלת. התחברו או התחילו תקופת ניסיון כדי לצפות בתוכן זה.

הדפסות חוזרות והרשאות

תגיות

MRI
ארגז כלים מבוסס MRI לתכנון נוירוכירורגי בפרימטים לא אנושיים
צור קשר
המלצה לספרייה

פרטיות

תנאי שימוש

מדיניות

2026 © זכויות יוצרים MyJoVE Corporation. כל הזכויות שמורות.