השתלת מערך אלקטרוקורטיקוגרפיה רכה תת-דוראלית (ECoG) ורישום קליפת המוח לטווח ארוך במיני-חזירים
March 31st, 2023
כאן, אנו מציגים שיטה להערכת ביצועים ובטיחות ארוכת טווח של מערכי אלקטרודות תת-דוראליות רכות במודל מיני-חזיר, המתארת שיטות וכלי ניתוח, דימות תהודה מגנטית לאחר הניתוח, אלקטרופיזיולוגיה של קליפת המוח השמיעתית, תכונות אלקטרוכימיות של השתל ואימונוכימיה לאחר המוות.
מודל זה יכול להפוך לסטנדרט לאימות בטיחות ויעילות עבור התקנים כרוניים בקליפת המוח במונחים של תאימות ביולוגית, רזולוציה ואיכות אות. הנוהל שלנו מתאר שיטה ניתנת לשחזור ומדרגית לביצוע מעקב ארוך טווח אחר בטיחות ויעילות המכשיר. זה כולל ניטור עצבי לאורך זמן, כמו גם in vivo והדמיית ex vivo.
השיטה שלנו תסייע בפיתוח של neuroprosthesis קליפת המוח חושית ומוטורית. זהו כלי להבנת פעילות הרשתות בקליפת המוח בקנה מידה גדול. שיטה זו יכולה לשמש במדעי המוח הבסיסיים כדי לחקור קישוריות תפקודית על פני אזורים שונים בקליפת המוח.
יכול להיות מיושם גם על מודלים אחרים של בעלי חיים גדולים. הגישה הכירורגית זקוקה לתרגול מסוים, אשר ניתן לרכוש על גופות או ניסויים חריפים תחילה. לאחר מכן המדידות צריכות להיות פשוטות למדי.
כדי להתחיל, לחתוך את העור של החיה מורדמת עם סכין אזמל לאורך קו האמצע. יש להפריד את השריר והפריאוסטאום מהעצם באמצעות מפזר פטל ולהניח לגישה אופטימלית. כדי לבצע את craniotomy, לקדוח את קווי המתאר באמצעות מקדח עצם עם חיתוך עגול, תוך התחשבות בעובי הגולגולת כפי שנמדד על רנטגן.
השקו את מיקום הקידוח בתמיסת מלח כדי למנוע התחממות יתר של העצם. קודחים בזהירות את קווי המתאר בצורה הומוגנית עד שמגיעים לדורה מאטר. בפריצת הדרך הראשונה, סיימו לקדוח את המתווה עד שהוא דליל מספיק כדי כמעט לפרוץ.
לאחר מכן השתמש במרית שטוחה כדי לשבור את דש העצם בחתיכה אחת באמצעות קצה הקרניוטומיה כמנוף. כדי לבצע דורוטומיה, באמצעות המחט מערכה של שישה תפרים, ניקבו בזהירות והרימו את הדורה מאטר בקצה הקדמי או האחורי של הקרניוטומיה, באמצע הדרך בין הצד המדיאלי לצדדי, וצרו התחלה של חתך עם סכין הדקירה. לאחר מכן באמצעות מרית שטוחה קטנה המוחדרת לחלל התת-דוראלי, ומשמשת כבסיס חיתוך להגנה על קליפת המוח.
צור חריץ קדמי בדורה מאטר על ידי התקדמות בו זמנית עם שני הכלים. ודא שהחריץ גדול מעט מרוחב השתל. הניחו את השתל מעל חריץ הדורה מאטר ובעזרת מלקחיים קטנים הכניסו את המכשיר באופן תת-דוראלי על ידי החלקתו ברצף על כל קצה.
החזיקו בזהירות את קצה הכן של המכשיר והתקדמו עם השתל על מנת לא ליצור מתח המעכב את החדרתו. הפסק את ההכנסה כאשר קצה המחבר ממוקם על גבי החריץ. כדי לאבטח את השתל במקומו, הניחו גשר טיטניום מעל הכבל לאחר קצה הקרניוטומיה או בכנפי העגינה, והדקו אותו באמצעות בורג טיטניום אחד או שניים באמצעות המברג המתאים.
לאחר מכן, תפרו את הדורה מאטר בזהירות סביב כבל השתל. בעזרת תפר תלת או אחורי ומחזיק מחט קטן, מקרבים את שני קצוות הדורה מאטר זה לזה ככל האפשר מבלי לקרוע את הקרום הדק עם חוט התפר. כדי לבצע מיקום דש עצם, קבע גשר טיטניום בחלק הקדמי והאחורי של כל דש עצם באמצעות בורג טיטניום.
הברג את קצה גשרי הטיטניום אל הגולגולת. לאחר מכן, תכננו את כיוון לוחית כף הרגל כדי להבטיח שניתן יהיה להבריג את כל הרגליים לתוך הגולגולת. לאחר מכן אבטחו את לוחית הרגל על ידי הברגת ברגי הטיטניום של לוחית כף הרגל עד שהיא יציבה במקומה.
לאחר מכן הבריגו את הכן על לוחית הרגל. צור תפרים תת עוריים עם חוט תפר ארבע אה שאינו ניתן לספיגה עם תפרים במרחק של שלושה מילימטרים זה מזה. התחילו הרחק מהכן והתקדמו לקראתו משני צידי החתך.
לאחר מכן, סגור את שכבת העור על ידי תפירת העור באמצעות חוט תפר שאינו ניתן לספיגה חוזרת. עם תפרים במרחק של חמישה מילימטרים זה מזה. התחילו הרחק מהכן והתקדמו לקראתו משני צידי החתך.
דאגו להשיג מיקום רקמות טוב בין שני דשי העור וקרוב לקצה הכן כדי למנוע ריק. לאחר חיבור במת הראש האלחוטית לחיה המושגת על ידי החזקת בעל החיים או הסחת דעתו על ידי האכלה עם פינוקים, רשמו את אותות המוח הערים. הקפד למקם את אנטנת המגבר ואת הרמקולים החיצוניים קרוב לכלוב החזיר בזמן הקלטת האותות.
ניתן למפות פעילות בסיסית ללא גירויי קול ופוטנציאלים מעוררים שמיעתיים בתגובה לגירוי פרץ של 800 הרץ על מערך האלקטרודות. הפוטנציאל השמיעתי המעורר בתעלת אלקטרודה בודדת מוצג לאורך זמן עם חצים המסמנים את תגובת ההפעלה והפעילות הבסיסית מוצגת כהשוואה. הדמיית In vivo בוצעה תוך ניתוחית ולאחר הניתוח כדי להעריך את מצב המוח ואת מיקום השתל.
צילום רנטגן תוך ניתוחי מאומת מיקום השתל, וללא קיפול כפי שנצפה על ידי מיקום הסמן הרדיופאקי. פני השטח של המוח שלמים כפי שניתן לראות ב- MRI שלאחר הניתוח. באופן כללי, עם השתל ומערכת הדום הזו, הדמיה מוחית שלמה אפשרית במהלך תקופת ההשתלה כדי לראות מבנים אנטומיים או נוכחות של נוזלים ודם סביב השתל.
בנוסף, אלקטרודות קליניות משמשות כמשווים במחקר זה, אך לא ניתן לבצע הדמיה ב- MRI בשל חששות חימום ובטיחות ודורשות סריקות CT. הצינור המוצג מאפשר חילוץ מוח שלם וחתך כדי לדמיין המיספרות שלמות. ההדמיה של כל קטע הרקמה הראתה שכבת נוירון ברורה.
התאים מוגדרים בבירור בהדמיה קונפוקלית של פי 20 ומאפשרים חקירה עדינה של סמנים דלקתיים. אפיון אלקטרוכימי של המכשירים שימש לחילוץ מודולוס העכבה והפאזה במבחנה, אשר היה במעקב לאורך זמן בקילוהרץ אחד במהלך ששת חודשי ההשתלה. חשוב לבחור בקפידה את גיל וגודל בעל החיים כדי למנוע פתיחת סינוסים במהלך הניתוח.
זה יפגע בניסוי הכרוני. חשוב להימנע מדימום בעת גישה לדורה מאטר או החדרת השתלים. זה ימנע סיבוכים נוספים ותגובה דלקתית.
ברגע שהמודל הזה קיים, ניתן להשתמש בו כדי לבצע אלקטרופיזיולוגיה של התנהגות חופשית במיני חזירים ולרשום פעילות מאזורי עניין בקליפת המוח. שיטה זו יכולה להיות מיושמת באיסוף נתוני בטיחות ביולוגית להגשת ניסוי קליני בעת פיתוח נוירותותבות חדשות שיתורגמו לבני אדם.
סקירה
מחקר זה מציג שיטה להערכת הביצועים והבטיחות לטווח ארוך של מערכי אלקטרודות תת-קליפתיות רכות במודל של חזיר קטן. הוא מפרט את הגישה הכירורגית, הדמיה לאחר הניתוח, וההערכה האלקטרופיזיולוגית והאלקטרוכימית של השתל.
מרכיבי מחקר מרכזיים
תחום המדע
- נוירומדע
- הנדסה ביו-רפואית
- אלקטרופיזיולוגיה
רקע
- הצורך במכשירים קליפתיים כרוניים במחקר מדעי המוח.
- חשיבות התאימות הביולוגית ואיכות האות בשתלים.
- האתגרים בניטור ארוך טווח של מכשירים עצביים.
- שימוש במודלי בעלי חיים גדולים לבדיקת מכשירים.
מטרת המחקר
- לבסס שיטה להערכת בטיחות ויעילות לטווח ארוך של מכשירים קליפתיים.
- להקל על ניטור והדמיה עצבית לאורך זמן.
- לתרום לפיתוח של נוירופרוטזות לתפקודים חושיים ומוטוריים.
שיטות ששימשו
- השתלת אלקטרודות תת-קליפתיות רכות בחזירים קטנים.
- הדמיה מגנטית (MRI) לאחר הניתוח להערכת השתל.
- הקלטות אלקטרופיזיולוגיות של פעילות בקורטקס השמיעה.
- אפיון אלקטרוכימי של השתלים לאורך זמן.
תוצאות עיקריות
- השתלה וניטור מוצלחים של אותות מוחיים לאורך זמן.
- הדמיה in vivo אישרה מיקום נכון של השתל ושלמות המוח.
- תכונות אלקטרוכימיות של המכשירים היו יציבות במשך שישה חודשים.
- זיהוי ברור של שכבות עצביות ומדדי דלקת באמצעות הדמיה.
מסקנות
- שיטה זו מספקת מסגרת חזקה להערכת מכשירים קליפתיים כרוניים.
- היא משפרת את ההבנה של פעילות רשת קליפתית בקנה מידה גדול.
- הגישה ניתנת להתאמה למודלי בעלי חיים גדולים אחרים.
שאלות נפוצות
Executive Industry Relevance
Long-term cortical recording in minipigs using soft subdural ECoG arrays addresses a critical translational gap for neuroprosthetic device validation. This model enables robust preclinical assessment of device safety, biocompatibility, and signal fidelity, supporting predictive confidence for human application. The approach strengthens portfolio decision-making at the interface of device discovery and regulatory advancement.
Strategic Applications in Biopharma R&D
Early Discovery & Target Validation
- Enables functional interrogation of cortical network activity in a large animal model.
- Supports biological de-risking for novel neuroprosthetic designs prior to clinical translation.
- Provides quantitative benchmarks for device-induced neural responses and tissue integration.
Screening & Assay Development
- Facilitates standardized, reproducible electrophysiological recordings over extended periods.
- Delivers high-resolution, quantitative readouts for device performance and safety metrics.
- Prepares validated animal models for downstream device screening and comparative studies.
Translational & Preclinical Research
- Aligns preclinical safety and efficacy data with regulatory expectations for human neuroprosthetic trials.
- Enables longitudinal monitoring of device-tissue interactions and inflammatory responses.
- Supports risk-adjusted advancement of cortical device candidates toward clinical evaluation.
Pipeline & Workflow Integration
This method integrates into the preclinical validation continuum, bridging device discovery, functional screening, and translational safety assessment.
- Discovery Biology: Provides a platform for hypothesis-driven testing of device impact on cortical function and connectivity.
- Screening: Offers reproducible, quantitative electrophysiological and electrochemical outputs for device comparison.
- Analytics: Enables longitudinal impedance tracking and imaging-based tissue analysis to inform device optimization.
- Translational Research: Delivers biosafety and efficacy data required for regulatory submissions and clinical trial readiness.
- Enterprise Reuse: Establishes a scalable, adaptable model for diverse neuroprosthetic and cortical device pipelines.
Operational & Enterprise Impact
- Scientific Value: Increases predictive confidence in device safety, function, and integration.
- Operational Value: Standardizes chronic implantation and monitoring workflows for reproducibility and scalability.
- Strategic Value: Informs go/no-go decisions and reduces late-stage biological risk for device portfolios.
- Portfolio Impact: Enables risk-adjusted prioritization and advancement of neurotechnology assets.
Implementation Considerations
- Requires surgical expertise in large animal neurosurgery and chronic device implantation.
- Demands access to MRI, X-ray, and electrophysiological recording infrastructure.
- Necessitates cross-team standardization of surgical, imaging, and analytical protocols.
- Adaptable to other large animal models with procedural modifications as needed.
- Careful animal selection and perioperative management are critical to avoid confounding complications.
