ממשק העצבים ההיקפי הרגנרטיבי של שרוול השריר להגברה של אותות עצביים היקפיים שלמים
13 בינואר 2022
כתב יד זה מספק שיטה חדשנית לפיתוח ממשק עצבי היקפי ביולוגי המכונה ממשק עצבי היקפי רגנרטיבי של שרוול השרירים (MC-RPNI). מבנה כירורגי זה יכול להגביר את האותות המוטוריים של העצב ההיקפי הקשור אליו כדי להקל על זיהוי מדויק של כוונה מוטורית ושליטה פוטנציאלית במכשירי אקסוסקלטון.
אותות עצביים פיזיולוגיים הם ברמה של מיקרו-וולטים, שהיא קטנה מכדי להקליט עם אלקטרודות הזמינות כיום באופן אמין. ה- MC-RPNI יכול להתממשק עם עצבים היקפיים שלמים, להגביר את האותות הקטנים למעלה ממאה פעמים כדי להקל על זיהוי אמין ומדויק של כוונת המנוע. היתרון העיקרי של טכניקה זו הוא האופי הביולוגי שלה.
הוא יכול להתממשק עם עצבים היקפיים שלמים לטווח ארוך מבלי לגרום להשפעה מזיקה על העצב עצמו או על מטרות שרירים פנימיים דיסטליים. מכשירי אקסוסקלטון מופעלים המסוגלים להחזיר את התפקוד לבעלי חולשת גפיים מנוצלים לעתים רחוקות למלוא הפוטנציאל שלהם בשל חוסר יכולת לזהות כוונת מנוע באופן אמין ומדויק. בשל יכולות הגברת אות העצבים הביולוגי שלו, RPNI שרוול השרירים הוא התשובה לחסרונות אלה.
בצע חתך אורכי לאורך ההיבט הקדמי של התורם הרצוי, המשתרע ממש מעל הקרסול עד ממש מתחת לברך עם אזמל מספר 15. נתחו את הרקמה התת עורית הבסיסית עם מספריים חדים של הקשתית כדי לחשוף את השרירים התחתונים ואת הגידים הדיסטליים רק פרוקסימליים למפרק הקרסול. לבודד את שריר ה-EDL ואת הגיד הדיסטלי שלו מהשרירים שמסביב.
הקפידו על בידוד של הגיד הנכון על ידי החדרת שני השיניים של מלקחיים או מספריים קשתית מתחת לגיד הדיסטלי רק פרוקסימלי למפרק הקרסול. פתח את המלקחיים או המספריים כדי להפעיל לחץ כלפי מעלה על הגיד. לבצע טנוטומיה דיסטלית של שריר ה-EDL ברמת הקרסול עם מספריים חדים של הקשתית ולנתח את השריר ללא הרקמות הסובבות אותו בעבודה פרוקסימלית לעבר מקורו הגידי.
לאחר הדמיה של הגיד הפרוקסימלי, בצע טנוטומיה פרוקסימלית עם מספריים חדים של הקשתית כדי לשחרר את השתל, לחתוך את שני הקצוות הגידים של השתלת השריר ולחתוך לאורך הרצוי עם מספריים קשתית חדה. בצע חתך אורכי לאורך כל האורך החתוך בצד אחד של שתל השריר כדי להקל על מיקום העצב בתוך שתל השריר ולספק מגע של העצב עם האנדומיסיום. מניחים את שתל השריר המוכן בתוך גזה לחה מלוחה כדי למנוע התייבשות רקמות.
מסמנים את החתך הניתוחי, המשתרע מקו של כ-5 מילימטרים מהחריץ הסיאטי ועד למפרק הברך התחתון. חותכים דרך העור והרקמות התת עוריות לאורך קו החתך המסומן עם להב מספר 15. חותכים בזהירות דרך החיתולית הירך הבסיסית, תוך הקפדה שלא להתארך דרך כל עומק השריר כאשר העצב הסיאטי נמצא ממש מתחת.
לאחר מכן נתחו בזהירות דרך שריר הירך האחורי עם מספריים קטנים קהים או המוסטאט. זהה את עצב הנקבים או ה-CP הנפוץ ובודד אותו בזהירות מהעצבים הסובבים אותו באמצעות זוג מיקרו-מלקחיים ומיקרו-מספריים. הסר כל רקמת חיבור סביב מן האמצעי 2 ס"מ של העצב, נזהר לא למחוץ את העצב.
החזיקו את האפינוריום הפרוקסימלי עם מיקרו מלקחיים מעל החלק המרכזי ביותר של עצב ה-CP המשוחרר וחתכו את האפינוריום באופן מיידי עם מספריים של מיקרו-דיסקציה. לאחר מכן, סעו באופן דיסטלי לאורך העצב כדי ליצור חלון אפינוריאלי התואם את אורך השתלת השריר ולהסיר כ-25% מהאפינוריום. הקפד להסיר קטע זה בחתיכה אחת.
הסר את השתל השריר מהגזה הלחה במלח והניח אותו מתחת לחלק המרכזי של עצב ה- CP שבו נוצר החלון האפינוריאלי. סובבו את העצב ב-180 מעלות כך שמקטע החלון האפינוריאלי ייגע בשריר השלם ולא יעמוד בבסיס קו התפר הסופי. לתפור את אפינוריום העצבים CP עם 8-O תפר ניילון באופן פרוקסימלי ודיסטלי לשתל השריר בתוך החריץ עם תפרים פשוטים שנקטעו כדי להבטיח אפינוריום לאנדומיסיום.
היקף עוטף את הקצוות בשתל השריר המקיף את העצב והתפר המאובטחים כעת במקום עם 8-O מופרע תפרים מניילון. לאחר השגת המוסטזיס, סגרו את החיתולית הירך מעל המבנה עם תפר כרומי 5-O בצורה רצה. סגרו את העור עם תפר כרומי 4-O בצורה רצה.
צביעת H&E של חתך MC-RPNI מראה את השריר והעצב. חתך רוחב של שריר ה-EDL האיפסילטרלי המופנם באופן דיסטלי בחולדה עם MC-RPNI הדגים רקמת עצב ושריר בני קיימא ללא פיברוזיס או הצטלקות משמעותיים בהשוואה לחתך בחולדת ביקורת ללא MC-RPNI. אימונוהיסטוכימיה של חתך אורך של דגימת MC-RPNI מראה גרעינים מוכתמים בכחול עם DAPI ורקמת עצב מוכתמת בירוק.
תקריב של MC-RPNI מוצלח אחר מראה מספר צמתים עצביים-שריריים מוכתמים באלפא-בונגארוטוקסין באדום עבור קולטני אצטילכולין. בדיקות אלקטרופיזיולוגיות שבוצעו במבני MC-RPNI הראו כי פוטנציאל הפעולה של השרירים המורכבים או צורות הגל של CMAPs דומים במראה שלהם לשרירים מקומיים, מה שתומך עוד יותר בכך שהם התחדשו על ידי העצב הכלוא שלהם. CMAP שנוצר על ידי שריר EDL פיזיולוגי בעקבות גירוי עצבי CP פרוקסימלי נע בדרך כלל בין 20 ל -30 מיליוולט.
EDL CMAPs בחולדות עם MC-RPNIs מושתלים אינם שונים באופן משמעותי, ממוצע של 24.27 מיליוולט פלוס או מינוס 1.34 מיליוולט. חשוב מאוד לתרגל יצירת חלון אפינוריאלי לפני השימוש בו במחקר. האפינוריום הוא כיסוי דק ושברירי מאוד על העצב, ופגיעה בסיבי העצב הבסיסיים יכולה לשנות את התוצאות בדרכים מאוד בלתי צפויות.
מבנים אלה נחשבים בוגרים בחולדות לאחר 3 חודשים, ויכולות ההתאמה האישית שלהם הן אינסופיות. לאחר ההבשלה, ניתן להשתמש ב- MC-RPNI בהערכות פיזיולוגיות, ניתוח אלקטרופיזיולוגי ובדיקות כוח שרירים. נוירוראפיה מקצה לצד היא מושג חדש יחסית בניתוח שבו עצב טרנסקטטיבי מחוברת לעצב היקפי שלם הגורם לביטחונות הנובטים מהעצב השלם לתוך המקטע המושתל.
גילינו שתופעה זו מתרחשת גם בשריר המושתל ישירות לעצב השלם והאפשרויות למחקר נוסף מרתקות.
צפו בתמליל המלא וקבלו גישה לאלפי סרטונים מדעיים
סקירה כללית
כתב היד הזה מציג את ממשק העצבים ההיקפי ההתחדשותיים של ציפוי השריר (MC-RPNI), שיטה חדשנית לפיתוח ממשק עצבי היקפי ביולוגי. מבנה כירורגי זה מגביר אותות מוטוריים יוצאים מעצבים היקפיים, ומשפר את זיהוי הכוונה המוטורית להשגת שליטה פוטנציאלית על מכשירי אקסוסלט.
מרכיבי המחקר העיקריים
תחום המדע
- מדעי המוח
- הנדסה ביו-רפואית
- נוירופרוסתטיות
רקע
- אותות עצביים פיזיולוגיים נמצאים בדרך כלל בטווח המיקרו-וולט.
- אלקטרודות נוכחיות מתקשות להקליט אותות קטנים אלה באופן אמין.
- ה-MC-RPNI יכול להתממשק עם עצבים היקפיים שלמים לאורך זמן.
- שיטה זו אינה משפיעה לרעה על העצבים או על מטרות השריר.
מטרת המחקר
- לפתח ממשק ביולוגי שמגביר אותות עצביים.
- לשפר את האמינות של זיהוי הכוונה המוטורית.
- לשפר את הפונקציונליות של מכשירי אקסוסלט ממונעים.
שיטות ששימשו
- פיתוח ממשק העצבים ההיקפי ההתחדשותיים של ציפוי השריר.
- הגברת אותות עצביים פי עשרה או מאה.
- התממשקות לטווח ארוך עם עצבים היקפיים.
- הערכת דיוק זיהוי האותות.
תוצאות עיקריות
- ה-MC-RPNI הצליח להגביר אותות עצביים פיזיולוגיים.
- הושג זיהוי אמין של הכוונה מוטורית.
- הטכניקה הוכיחה תאימות ארוכת טווח עם רקמות עצביות.
- זוהו יישומים פוטנציאליים בשליטה על מכשירי אקסוסלט.
מסקנות
- ה-MC-RPNI מתמודד עם המגבלות של שיטות גילוי אותות עצביים נוכחיות.
- ממשק ביולוגי זה יכול לשפר באופן משמעותי יישומים נוירופרוסתטיים.
- מחקרים עתידיים עשויים להרחיב את השימוש בו בשיקום תפקוד מוטורי.
שאלות נפוצות
Executive Industry Relevance
Current neuroprosthetic approaches face challenges in reliably detecting low-amplitude peripheral nerve signals, limiting exoskeleton functionality for patients with motor deficits. The Muscle Cuff Regenerative Peripheral Nerve Interface (MC-RPNI) addresses this by biologically amplifying nerve signals up to 100-fold, improving motor intent detection accuracy. This biologic interface supports translational neuroprosthetic development by enhancing signal fidelity without adverse effects on nerve or muscle tissue.
Strategic Applications in Biopharma R&D
Early Discovery & Target Validation
- Scientific Value: Enables interrogation of peripheral nerve signaling pathways through amplified compound muscle action potential readouts.
- Operational Value: Provides a stable, long-term biological interface for consistent signal acquisition in preclinical models.
- Strategic Value: Supports target validation by improving signal-to-noise ratio in motor pathway studies, reducing false negatives in target engagement assays.
Screening & Assay Development
- Scientific Value: Generates quantifiable compound muscle action potentials (CMAPs) in the millivolt range, enabling precise electrophysiological screening of neuromodulatory compounds.
- Operational Value: Offers a reproducible biological amplification system compatible with standard electrophysiology equipment for high-throughput assay integration.
- Strategic Value: Facilitates assay standardization across labs by using a well-characterized, reinnervated muscle-nerve construct with minimal fibrosis.
Translational & Preclinical Research
- Scientific Value: Demonstrates disease-relevant signal amplification in rodent models, supporting preclinical evaluation of neuroprosthetic control strategies.
- Operational Value: Enables longitudinal studies due to long-term stability and lack of foreign body reaction, reducing variability in chronic efficacy studies.
- Strategic Value: Supports go/no-go decisions in exoskeleton development by providing a validated platform for motor intent detection prior to clinical translation.
Pipeline & Workflow Integration
The MC-RPNI fits within the discovery continuum from target validation through lead optimization to preclinical assessment, particularly for neuromodulators and neuroprosthetic controllers targeting peripheral motor pathways.
- Discovery Biology: Supports hypothesis testing of nerve-muscle communication by amplifying efferent signals for clear detection in electrophysiological readouts.
- Screening: Enables assay readiness through stable, reinnervated grafts that produce consistent CMAP waveforms suitable for compound library screening.
- Analytics: Delivers quantitative, threshold-based outputs (e.g., CMAP amplitude >20 mV) that allow objective comparison of experimental conditions and compound effects.
- Translational Research: Bridges discovery to preclinical work by providing a biologically integrated interface that mirrors native neuromuscular junction physiology.
- Enterprise Reuse: Represents a platform technology applicable across multiple peripheral nerve targets and disease models, reducing redevelopment costs.
Operational & Enterprise Impact
- Scientific Value: Enhances predictive confidence in target modulation by converting microvolt nerve signals to detectable millivolt muscle responses.
- Operational Value: Ensures reproducibility through standardized surgical preparation and histological validation of reinnervation (e.g., H&E, immunohistochemistry).
- Strategic Value: Reduces late-stage failure risk by improving early detection of bioactive compounds that affect motor pathways.
- Portfolio Impact: Enables risk-adjusted prioritization of neuroprosthetic projects based on validated signal detection capability in preclinical models.
Implementation Considerations
- Requires microsurgical expertise in peripheral nerve dissection and muscle graft preparation.
- Dependent on sterile surgical facilities and precision instrumentation (e.g., microdissection scissors, forceps).
- Necessitates standardized postoperative care and timed maturation periods (e.g., 3 months in rats) for reliable reinnervation.
- Requires electrophysiological setup capable of stimulating nerves and recording CMAPs with appropriate filtering and amplification.
- Limited to species where autologous muscle grafting and peripheral nerve accessibility are feasible; scalability to larger models demands validation.
