ミニブタにおける硬膜下軟性皮質電図(ECoG)アレイ移植と長期皮質記録
March 31st, 2023
ここでは、ミニブタモデルにおける軟硬膜下電極アレイの長期的な性能と安全性を評価する方法を提示し、手術方法とツール、術後の磁気共鳴画像法、聴覚皮質の電気生理学、インプラントの電気化学的特性、および死後の免疫化学について説明します。
このモデルは、生体適合性、分解能、シグナル品質の観点から、慢性皮質デバイスの安全性と有効性を検証するための標準となる可能性があります。私たちの手順は、デバイスの安全性と有効性の長期的なフォローアップを実行するための再現性と拡張性のある方法を説明しています。これには、経時的な神経モニタリング、in vivoおよびex vivoイメージングが含まれます。
私たちの方法は、感覚的および運動皮質神経プロテーゼの開発に役立ちます。これは、大規模な皮質ネットワークの活動を理解するためのツールです。この方法は、さまざまな皮質領域にわたる機能的接続を調査するために、基礎神経科学に使用できます。
他の大型動物モデルにも適用できます。外科的アプローチにはある程度の練習が必要ですが、最初に死体や急性実験で習得することができます。そうすれば、測定はかなり簡単になります。
まず、麻酔をかけた動物の皮膚をメスナイフで正中線に沿って切開します。ラスパトリーを使用して筋肉と骨膜を骨から分離し、最適なアクセスのためにスプレッダーを配置します。開頭術を行うには、X線で測定された頭蓋骨の厚さを考慮して、丸い切断ビットを備えた骨ドリルを使用して輪郭をドリルで開けます。
骨の過熱を避けるために、掘削場所を生理食塩水で灌漑します。硬膜に達するまで、輪郭を均一に慎重にドリルで開けます。最初のブレークスルーでは、アウトラインがほぼ突き抜けるほど薄くなるまで穴あけを終了します。
次に、平らなスパチュラを使用して、開頭術の縁をテコにして骨皮弁を1つに分解します。硬膜切開術を行うには、6オー縫合キットの針を使用して、開頭術の前端または後端、内側と外側の中間にある硬膜を慎重に突き刺して持ち上げ、スタブナイフで切開の始まりを作成します。次に、硬膜下腔に挿入された小さな平らなヘラを使用して、皮質を保護するための切断ベースとして機能します。
両方のツールを同時に進めることにより、硬膜に前後スリットを作成します。スリットがインプラントの幅よりわずかに大きいことを確認してください。インプラントを硬膜スリットの上に置き、小さな鉗子で、各端を順番にスライドさせて硬膜下に挿入します。
デバイスの台座の端を慎重に保持し、挿入を妨げる張力を発生させないようにインプラントを前進させます。コネクタの端がスリットの上に来たら、挿入を停止します。インプラントを所定の位置に固定するには、開頭術の端または固定翼のケーブルの上にチタン製のブリッジを配置し、適切なドライバーを使用して1本または2本のチタン製ネジで固定します。
次に、インプラントケーブルの周囲に硬膜を慎重に縫合します。3オーの吸収性縫合糸と小さなニードルホルダーを使用して、縫合糸ワイヤーで薄い膜を引き裂くことなく、2つの硬膜の縁をできるだけ一緒にします。骨フラップの留置を行うには、チタン製のネジを使用して、各骨フラップの前部と後部にチタン製のブリッジを固定します。
チタンブリッジの端を頭蓋骨にねじ込みます。次に、フットプレートの向きを計画して、すべての脚が頭蓋骨にねじ込まれるようにします。次に、フットプレートのチタンネジをしっかりと固定されるまでねじ込んで、フットプレートを固定します。
次に、台座をフットプレートにねじ込みます。縫合糸を3ミリメートル離して、4オーの非吸収性縫合糸ワイヤーで皮下縫合糸を作成します。台座から離れ、切開の両側で台座に向かって移動します。
次に、6オーの非吸収性縫合ワイヤーを使用して皮膚を縫合することにより、真皮層を閉じます。縫合糸を5ミリメートル離して。台座から離れ、切開の両側で台座に向かって移動します。
空隙を避けるために、2つの皮膚フラップの間と台座の端の近くで良好な組織配置を実現するように注意してください。動物を抱っこしたり、おやつを与えて気をそらしたりして、ワイヤレスヘッドステージを動物に接続した後、覚醒している脳信号を記録します。信号を記録するときは、必ず ampアンテナと外部スピーカーを豚のケージの近くに置きます。
800ヘルツのトーンバースト刺激に応答する音刺激および聴覚誘発電位を伴わないベースライン活動を電極アレイ上にマッピングすることができる。単一の電極チャネルにおける聴覚誘発電位は、オンの「応答」を示す矢印で経時的に示され、ベースライン活性は比較として示されています。In vivoイメージングは、脳の状態とインプラントの位置を評価するために、術中および術後に実施されました。
術中平面X線検査でインプラント埋入が確認され、X線不透過性マーカーの埋入で観察された折り畳みはありませんでした。術後のMRIで観察できるように、脳の表面は無傷です。全体として、このインプラントとペデスタルシステムにより、インプラント期間中の全脳イメージングが可能になり、インプラントの周りの解剖学的構造や液体や血液の存在を確認できます。
さらに、この研究では臨床用電極が比較対象として使用されていますが、加熱と安全上の懸念からMRIで画像化できず、CTスキャンが必要です。提示されたパイプラインは、全脳抽出と全半球を画像化するための切片化を可能にします。組織切片全体の画像化では、明瞭なニューロン層が見られました。
細胞は20倍の共焦点イメージングで明確に定義され、炎症マーカーの精密な調査を可能にします。デバイスの電気化学的特性評価を使用して、インピーダンス弾性率と位相をin vitroで抽出し、移植の6か月間に1キロヘルツで経時的に追跡しました。手術中に副鼻腔が開かないように、動物の年齢と大きさを慎重に選択することが重要です。
これは慢性的な実験を損なうことになります。硬膜にアクセスしたり、インプラントを挿入したりするときに出血を避けることが重要です。これにより、さらなる合併症や炎症反応を回避できます。
このモデルが確立されると、ミニブタで自由に振る舞う電気生理学を実行し、皮質の関心領域からの活動を記録するために使用できます。この方法は、ヒトに翻訳される新しい神経補綴物を開発する際の臨床試験の提出のためのバイオセーフティデータの収集に適用できます。
概要
この研究は、ミニブタモデルにおける軟性硬膜下電極アレイの長期的な性能と安全性を評価する手法を提示します。外科的アプローチ、術後画像診断、およびインプラントの電気生理学的および電気化学的評価の詳細を説明します。
主要な研究構成要素
科学分野
- 神経科学
- 生体医工学
- 電気生理学
背景
- 神経科学研究における慢性的な皮質デバイスの必要性。
- インプラントにおける生体適合性と信号品質の重要性。
- 神経デバイスの長期モニタリングにおける課題。
- デバイステストのための大型動物モデルの使用。
研究目的
- 皮質デバイスの長期的な安全性と有効性の評価のための再現可能な方法を確立すること。
- 時間経過に伴う神経モニタリングと画像化を容易にすること。
- 感覚および運動機能のためのニューロプロセティクスの開発に貢献すること。
使用した方法
- ミニブタへの軟性硬膜下電極アレイの外科的インプラント。
- インプラント評価のための術後磁気共鳴画像法（MRI）。
- 聴覚皮質活動の電気生理学的記録。
- 時間経過に伴うインプラントの電気化学的特性の評価。
主な結果
- 時間経過に伴う脳信号のインプラントとモニタリングの成功。
- 生体内画像診断により適切なインプラント配置と脳の完全性が確認された。
- デバイスの電気化学的特性は6ヶ月間にわたり安定していた。
- 画像診断により神経層と炎症マーカーを明確に特定できた。
結論
- この方法は、慢性的な皮質デバイスを評価するための堅牢なフレームワークを提供します。
- 大規模な皮質ネットワーク活動の理解を深めます。
- このアプローチは他の大型動物モデルにも適応できます。
よくある質問
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.
