אימוני ניתוח ההשתלה של מערכים Neocortical Microelectrode באמצעות מודל של פורמלדהיד-קבוע גווייה אנושי
November 19th, 2017
תיכננו הליך שבו גופה אנושית-קבוע פורמלדהיד משמש כדי לסייע נוירוכירורגים להכשרת ההשתלה של מערכים microelectrode לתוך קליפת של המוח האנושי.
מיקרו-אלקטרודות מאפשרות להקליט את הפעילות של נוירונים בודדים במוח החי. הודות להתפתחויות האחרונות בהנדסה, מערכי מיקרו-אלקטרודות הופכים זמינים לשימוש בבני אדם. הם יכולים לתת גישה ליותר ממאה נוירונים בודדים בניאו-קורטקס המוחי האנושי.
עד כה, מערכי מיקרו-אלקטרודות שימשו בבני אדם בשתי נסיבות. כשתלים כרוניים לשליטה בממשקי מוח-מחשב, וכשתלים זמניים לחקירת היסודות העצביים של אפילפסיה בחולים העוברים הערכה עם EEG תוך גולגולתי. מערכי מיקרואלקטרודות הם מכשירים פולשניים, והשתלתם מחייבת פתיחת הגולגולת וקרומי המוח, והחדרת המערך לקליפת המוח.
לכן, השתלת מערכי מיקרואלקטרודות בבני אדם חייבת להתבצע על ידי נוירוכירורג. בנוסף למומחיות בכלים וטכניקות נוירוכירורגיות סטנדרטיות, יש להכשיר את המנתח בהליך הרדמה של השתלת מערך מיקרואלקטרודות. עיצבנו את הליך ההכשרה באמצעות גופה אנושית קבועה בפורמלדהיד.
המטרות שלנו היו לספק למנתחים סביבה דמוית חדר ניתוח, אנטומיה מציאותית והזדמנות לתרגל ולתרגל את השלבים הקריטיים של ההליך. הפרוטוקול המוצג כאן חל באופן ספציפי על מערך יוטה. מכשיר זה מורכב ממערך 4x4 מ"מ של 100 מיקרו-אלקטרודות מבוססות סיליקון, צרור של 100 חוטי זהב מבודדים בנפרד, והדום טיטניום דרך העור המתחבר למחשב המקליט את האותות העצביים.
סרטון ההדרכה הנוכחי סוקר את שלבי ההליך הניתוחי החל מההגדרה, חשיפת פני השטח בקליפת המוח, קיבוע הכן, השתלת מערך המיקרו-אלקטרודות עצמו, מיקום רשת אלקטרוקורטיקוגרפיה או ECOG וסגירת הגולגולת. בחר דגימה ללא היסטוריה של מחלה או פגיעה בראש, בגולגולת ובמוח. אם זמין, סריקת CT ראש לאחר המוות תבטיח שאין נגע תוך גולגולתי משמעותי.
קבע את הראש בגולגולת clamp, וכסה בווילונות כירורגיים. חתך והשכיב את הקרקפת ואת שריר הטמפורליס. בצע כריתת גולגולת מרובעת גדולה, למשל, 5x5 סנטימטרים.
הסר את דש העצם וחשוף את הדורה מאטר. שמור את דש העצם. פתח את הדורה מאטר משלושה צדדים של הגולגולת.
השכב אותו וחשוף את הממברנה הארכנואידית ואת פני השטח של הניאו-קורטקס המוחי. השלב הראשון בקיבוע הכן הוא בחירת פיתול קליפת המוח בו יושתל מערך המיקרואלקטרודות. פני השטח של הפיתול חייבים להיות שטוחים בערך כך שמערך המיקרו-אלקטרודות ישכב איתו בצמוד בעת הכנסתו.
ואסור שיהיה כלי דם גלוי על פני השטח בקליפת המוח שבו יש להכניס את מערך המיקרואלקטרודות. לאחר מכן, בחר אתר לקיבוע הכן בקצה העליון של הגולגולת קרוב לחתך העור. אפשר מספיק רפיון לצרור החוטים כך שמערך המיקרו-אלקטרודות יוכל להגיע לפיתול המטרה.
השתמש בברגי עצם כדי להבריג את הכן על השולחן החיצוני של עצם הגולגולת ליד הגולגולת. לאורך כל ההליך, חשוב לוודא תמיד שמערך המיקרו-אלקטרודות אינו נוגע בדבר, מכיוון שהוא עלול להינזק או עלול לקרוע את המשטח הניאו-קורטיקלי. החזק את צרור החוטים קרוב למערך המיקרו-אלקטרודות בעזרת פינצטה עם קצות מצופים פלסטיק או גומי.
מקם את מערך המיקרו-אלקטרודות במקביל לפני השטח של פיתול המטרה. כופפו את צרור החוטים לפי הצורך למטרה זו. זהו צעד קריטי.
צרור החוטים נוקשה במקצת ואינו תואם בקלות את רצונות המנתחים. נדרשים זהירות וסבלנות כדי להשיג יישור טוב של מערך המיקרו-אלקטרודות ומשטח קליפת המוח. ניתן להשתמש ברצועות טיטניום מעצם כלב כדי לאבטח את צרור החוט לעצם הגולגולת ולשלוט במסלולו לעבר פיתול המטרה.
כעת הבא את מחזיק האימפקטור הפנאומטי ליישור משוער עם החלק האחורי של מערך המיקרואלקטרודות. הברגים המילימטריים של מחזיק האימפקטור הפנאומטי ישמשו מאוחר יותר להתאמות עדינות יותר. תקן את הפגיעה הפנאומטית בתוך המחזיק שלו.
בדוק את החיבורים באמצעות תיבת הבקרה ולאחר מכן הפעל את תיבת הבקרה. כעת, השתמש בברגים המילימטריים כדי להביא את הפגיעה ליישור קרוב עם החלק האחורי של מערך המיקרואלקטרודות. לאחר מכן, השתמש בפגיעה כדי להחיל נעיצת על החלק האחורי של מערך המיקרו-אלקטרודות ולדחוף אותו לתוך המשטח בקליפת המוח.
בדוק שמערך המיקרו-אלקטרודות צמוד למשטח קליפת המוח. לחלופין, מקם שחזור אלקטרו-קורטיקלי תת-דוראלי על פני השטח החשוף בקליפת המוח. אבטח אותו על ידי תפירתו לדורה מאטר.
מערך המיקרו-אלקטרודות יכוסה בדרגת ECOG. מקם מחדש את הדורה מאטר על פני השטח החשוף בקליפת המוח ותפור אותו. מקם מחדש את דש העצם.
אבטח אותו עם רצועות טיטניום מעצם כלב. ודא שצרור החוטים של מערך המיקרואלקטרודות כמו גם כבלי ה-ECOG לא נמעכים בין קצוות העצם. מקם מחדש ותפור את דש העור.
סגור את חתך העור סביב צוואר הכן. לחלופין, הכן יכול לצאת מהקרקפת דרך חתך דקירה נפרד שנעשה בדש העור. השתמשנו בגופה אנושית קבועה בפורמלדהיד כדי לאפשר למנתחים לתרגל את ההליך הכירורגי של השתלת מערך מיקרואלקטרודות לתוך הניאו-קורטקס המוחי האנושי.
היתרונות כוללים סביבה דמוית חדר ניתוח ואנטומיה אנושית מציאותית, כמו גם את ההזדמנות לתרגל שלבים מרכזיים של ההליך, כולל מניפולציה של מערך המיקרו-אלקטרודות עצמו, ושימוש בפגיעה. החסרונות הברורים של שימוש בגופה הם היעדר זרימת דם ונוזל עמוד השדרה והיעדר פעימות המוח הנגרמות על ידי נשימה ופעימות לב. לסיכום, התרגול של השתלת מיקרואלקטרודות על גופה קבועה בפורמלדהיד מתאים להכשרת נוירוכירורגים.
גופות קבועות בפורמלדהיד זמינות וזולות יחסית. הליך כזה עוקף את הסוגיות האתיות והעלויות הקשורות להכשרת מנתחים עם פרימטים שאינם אנושיים.
View the full transcript and gain access to thousands of scientific videos
סקירה כללית
מחקר זה מציג נוהל המשתמש בגופת אדם קבועה בפורמלדהיד להכשרת מנתחים נוירוכירורגיים בהטמעת מערכי מיקרואלקטרודות בניאוקורטקס האנושי. מיקרואלקטרודות מאפשרות הקלטה של פעילות נוירונים בודדת, דבר שהוא קריטי להבנת תפקודי המוח.
רכיבי מחקר מרכזיים
תחום המדע
- נוירוכירורגיה
- ננו-הנדסה
- אלקטרופיזיולוגיה
רקע
- מיקרואלקטרודות מאפשרות הקלטה של נוירונים בודדים במוח החי.
- התקדמויות הנדסיות חדשות הפכו את מערכי המיקרואלקטרודות לזמינים לשימוש אנושי.
- מערכים אלו יכולים לגשת למאות נוירונים בניאוקורטקס המוחי האנושי.
- מערכי מיקרואלקטרודות שימשו בתרחישים של השתלות כרוניות וזמניות.
מטרת המחקר
- לפתח נוהל הדרכה למנתחים נוירוכירורגיים.
- לשפר מיומנויות בהטמעת מערכי מיקרואלקטרודות.
- לשפר את ההבנה של היסודות העצביים של פעילות המוח.
שיטות שנעשה בהן שימוש
- שימוש בגופת אדם קבועה בפורמלדהיד.
- סשני אימון למנתחים נוירוכירורגיים.
- חוויות מעשיות בהטמעת מערכי מיקרואלקטרודות.
- הערכת טכניקות ותחומי הניתוח והתוצאות.
תוצאות עיקריות
- הדגמה מוצלחת של טכניקות הטמעת מערכי מיקרואלקטרודות.
- הגברת הביטחון בקרב המתאמנים בביצוע ההליך.
- הבנה משופרת של האתגרים הקשורים להטמעה.
- פוטנציאל לשיפור תוצאות הטיפול בחולים בניתוחים עתידיים.
מסקנות
- נוהל ההכשרה מכין את המנתחים הנוירוכירורגיים להטמעת מערכי מיקרואלקטרודות בצורה יעילה.
- שימוש במודל של גופה מספק חוויות מעשיות חשובות.
- גישה זו עשויה להוביל לשיטות כירורגיות טובות יותר וטיפול בחולים.
שאלות נפוצות
Executive Industry Relevance
This protocol supports neurosurgical training for implanting neural interface devices, a critical step in advancing neurotechnology pipelines. By enabling realistic rehearsal of invasive cortical procedures, it reduces technical risk in early-stage device validation and supports translational confidence in brain-computer interface development.
Strategic Applications in Biopharma R&D
Early Discovery & Target Validation
- Scientific Value: Enables functional validation of cortical targets by allowing precise device placement in human-relevant tissue.
- Operational Value: Provides a reproducible platform for testing microelectrode array integration without live subject variability.
Screening & Assay Development
- Scientific Value: Facilitates standardization of surgical implantation techniques, reducing procedural noise in downstream electrophysiological recordings.
- Operational Value: Supports assay readiness by ensuring consistent device-tissue interface quality across training iterations.
Translational & Preclinical Research
- Scientific Value: Bridges discovery and preclinical stages by validating surgical feasibility in human cadaver models prior to live studies.
- Operational Value: Enhances predictive confidence in device-tissue interaction, informing risk-adjusted decisions for IND-enabling studies.
Pipeline & Workflow Integration
The method integrates into the neurotechnology discovery continuum by supporting early validation of implantable neural interfaces before chronic in vivo testing.
- Discovery Biology: Supports hypothesis testing around cortical signal acquisition by enabling reliable device implantation in human tissue.
- Screening: Enhances reproducibility of neural signal capture by standardizing surgical implantation technique.
- Analytics: Enables quantitative assessment of implant stability and signal fidelity through controlled cortical surface preparation.
- Translational Research: Connects early device testing to preclinical continuity by validating surgical approach in human-relevant anatomy.
- Enterprise Reuse: Establishes a reusable training platform for iterative device design refinement and cross-functional team readiness.
Operational & Enterprise Impact
- Scientific Value: Reduces mechanistic ambiguity in neural interface performance by ensuring consistent surgical delivery.
- Operational Value: Improves standardization and scalability of neurosurgical training across institutions.
- Strategic Value: De-risks early-stage investment in neural implants by improving procedural success rates.
- Portfolio Impact: Supports go/no-go decisions based on surgical feasibility and device-tissue compatibility.
Implementation Considerations
- Requires neurosurgical expertise in cortical exposure and microdevice handling.
- Depends on access to formaldehyde-fixed human cadavers and standard craniotomy instrumentation.
- Necessitates standardization of wire bundle management and pedestal fixation techniques.
- Limited by absence of physiological dynamics such as cerebral pulsation and fluid circulation.
- Dependent on meticulous technique to prevent microelectrode array damage during insertion.
Biopharma FAQs
Chapters in this video
0:00
Title
0:11
Introduction
2:24
Operative procedure
2:26
Setting up
2:49
Exposing the cortical surface
3:31
Fixing the electrode pedestal
4:32
Implanting microelectrode array
5:51
Positioning the ECOG grid
6:08
Closing the craniotomy
6:51
Representative results
7:32
Conclusion
