여기서 제시된 것은 유발되고 자발적인 근전도 전위내의 생체 내 연대순 기록을 위한 이식형 시스템의 제조를 위한 프로토콜이다. 이 시스템은 신경 손상 다음 후두 근육의 회안의 조사에 적용됩니다.
근전도(EMG)는 운동 단위의 전기 자극 또는 자발적인 활동에 대한 근육 반응을 측정하고 신경 근육 기능을 평가하는 데 중요한 역할을 합니다. 신경 손상 후 근육의 reinnervation 상태를 반영 하는 EMG 활동의 만성 기록 제한 되었습니다., 전통적인 EMG 기록 기술의 침략적 특성으로 인해. 이와 관련하여, 이식형 시스템은 장기간, 생체 내 EMG 기록 및 신경 자극을 위해 설계된다. 그것은 적용 하 고 후 두 근육의 reinnereation에 대 한 연구에서 테스트 되었습니다. 이 시스템은 1) 2개의 양극성 전극 신경 커프스로 구성되고 두 개의 신경각각을 자극하기 위한 리드: 재발성 후두 신경 (RLN) 및 우수한 후두 신경의 내부 분기 (SLN); 2) 두 개의 EMG 기록 전극 및 두 후두 근육각각에 대한 리드: 후방 크리코리티노이드 (PCA) 근육 및 티로리티노이드-측면 크리코테리노이드(TA-LCA) 근육 복합체; 및 3) 이식된 모든 리드 단말과 연결 케이블을 이용하여 외부 기록 프리앰프 및 자극기로 인터페이싱하는 피부 리셉터클. 와이어 리드는 테프론 코팅, 멀티 필라멘트, 유형 316 스테인레스 스틸입니다. 그(것)들은 코일이고 납 파손 및 전극 이동을 방지하기 위하여 깨어있는 동물의 바디 운동 도중 기지개할 수 있습니다. 이 시스템은 무균 수술 중에 이식됩니다. 그 후, 기준선 EMG 기록은 RLN이 근육 재심을 연구하기 위해 두 번째 수술에서 전이되기 전에 수행됩니다. 연구 전반에 걸쳐, 여러 생리 세션은 후두 근육의 reinnervation 상태를 반영하는 자극과 자발적인 EMG 활동을 얻기 위해 마취 동물에서 실시된다. 이 시스템은 컴팩트하고 연구 과정 동안 감염이 없으며 내구성이 뛰어납니다. 이 이식형 시스템은 마취또는 자유롭게 움직이는 동물에서 장기 기록 또는 신경 자극이 필요한 연구를 위한 신뢰할 수 있는 플랫폼을 제공할 수 있습니다.
EMG 기록은 신경의 전기 자극 또는 모터 단위의 자발적인 발사에 의해 활성화될 때 골격 근에 의해 생성된 전기 활동을 측정하는 유용한 기술입니다. EMG 신호 모니터링은 신경 근육 전달 및 근육 생체 역학의 평가에 사용할 수 있습니다1. EMG 기록은 또한 신경 상해2,3,3,4,,5에따른 근육 회복의 질 과 크기를 특성화하는 데 중요한 역할을 한다. 그러나, reinnervation의 전체 기간 동안 다중 EMG 기록은 침략적인 접근에 의해 달성될 수 없습니다. 따라서 이식형 장치는 신경 근육 시스템에서 반복, 만성 자극 및 기록을 위해 설계 및 개발되었으며6,7,7,8,9,,10,,911,,12,13.12 이 백서의 목적은 후두로부터 신뢰할 수있는 연대순 EMG 데이터를 얻기위한 안정적인 시스템의 제조 및 이식프로토콜을 설명하는 것입니다.
이 시스템은 후두 근육 교정 연구에 여기에 적용됩니다. 후두에 대한 간략한 개요가 오리엔테이션에 대해제공됩니다(그림 1). 호흡, 보이싱 및 기도 보호 중 적절한 근육 이동에 감각 및 운동 성분 간의 정확한 조정이 필수적입니다. 후두 후두에 위치한 PCA 근육은 보컬 폴드의 유일한 납치자입니다. 이 근육은 흡입을 위한 glottal 지역을 증가시키기 위하여 영감 도중 자발적으로 활성화됩니다. TA-LCA 컴플렉스는 보컬 폴드의 주요 배더입니다. 다른 adductor와 함께이 근육 복합체의 활성화 (즉, interarytenoid 근육) 진동 및 사운드 생산을 위한 접힌을 하리화 하 고 삼 키는 동안 기도 보호를 위한 접을 닫습니다.
추가적으로, 모터 신경 섬유는 RLN에 있는 납치자 및 adductor 근육 둘 다 invate. 납치자 및 유도체 근육은 모터 유닛조성물(14,,15)에기초하여 구별될 수 있다. PCA 근육 전시 하이퍼 카프 닉 및/또는 저산소 조건 동안 발사 증가16 흡인 모터 단위의 존재로 인해. 대조적으로, 후두 점막 내의 감각 수용체의 활성화를 통해 반사적으로 글로티스를 닫는 반사 성 glottic 폐쇄 (RGC) 모터 단위는 TA-LCA 근육 복합체에 존재합니다. 우수한 후두 신경 (SLN)의 내부 분기는 후두(17)에서감각 수용체의 구심성 섬유를 운반합니다. 보이싱은 주로 도우미 기능이지만, 납치자와 인덕터 모터 유닛모두 이 고도로 진화된 후두 행동에 관여합니다.
그림 1 : 후두의 해부학. 이 이식형 시스템의 구성 요소도 표시됩니다. SLN = 우수한 후두 신경; RLN = 재발성 후두 신경; PCA = 후방 코리코리티노이드 근육; TA-LCA = 티로어리티노이드-측면 크리코리티노이드 근육 복합체; DBS = 깊은 뇌 자극. 이 그림은 와일리27의허가를 받아 재현되었습니다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.
RLN에 상해는 후두 근육 탈문14,,18,,19때문에 납치 및 유도 기능을 모두 손상하는 음성 배 마비 (VFP)를 초래할 수 있습니다. 그 후, RLN 신경 섬유의 재생 및 근육의 reinnervation 일반적으로 발생. 그러나, reinnervation 임의의 과정 및 잘못 된 결과, 대부분의 경우에 부적절 한 근육 재연결. 이는 납치범과 길항제의 자발적인 활성화가 결함이 있고 보컬 폴드14,,19,,20,,21의비효율적 또는 역설적 인 움직임을 생성하는 synkinesis라고합니다. synkinesis를 사용하면 손실되는 중요한 기능은 보컬 폴드 납치로 인해 환기가 부적당합니다. 후두 합성증을 치료하려는 시도가 1) 보톡스22,,23 또는 2) 이식형 맥박 조정기로 글로틱 개구부를 전기적으로 자극하여 폐색성 폐쇄를 차단하여 후두합성을 치료하려는 시도가 계속되고있지만,2526.26 그러나, 낮은 주파수에서 reinnervation 동안 PCA 근육의 전기 컨디셔닝 적절 한 신경 근육 재연결을 촉진 하 고 발생에서 synkinesis를 최소화 하는 증거가 있다. 연구는 현재 기본 메커니즘을 해명 하기 위해 실시 되 고2.
이 논문의 초점은 만성 신경 자극 및 EMG 기록을 위한 간단하고 저렴한 이식 가능한 시스템을 설명하는 것입니다. 이 시스템은 PCA 근육의 저주파 전기 적 컨디셔닝이 후속 재심의 특이성에 미치는 영향을 조사하는 데 사용할 수 있습니다. 이 시스템에 의해 얻어진 EMG 신호는 시간이 지남에 따라 후두 근육 재의 질 그리고 양을 반영할 수 있습니다.
이 논문은 후두 신경의 자극과 장기적으로 후두 근육에서 EMG 응답의 기록을 위한 새로운, 경제적, 이식 가능한 시스템의 제조에 필요한 단계를 설명합니다. 프로토콜은 복잡하지 않으며 쥐처럼 작은 동물에서 활용될 수 있을 만큼 컴팩트한 임플란트를 생성할 수 있습니다. 강조해야 할 몇 가지 중요한 단계가 있습니다. 첫째, 리드 와이어는 단열재, 꼬임 또는 파손을 방지하기 위해 신중하고 균일하게 코일되어야 합니다. 코일 기계를 사용할 수 없는 경우 조립식 코일 리드를 상업적으로 얻을 수 있습니다. 둘째, 실리콘 튜브에 납 와이어를 삽입하여 신경을 가로지르는 “V”를 형성하는 전략은 커프 내부의 신경을 통해 현재 전달을 촉진하는 데 중요합니다. 두 리드가 튜브의 동일한 쪽에 놓이면 전극 사이의 전류가 절제될 수 있습니다. 또한 신경에 슬라이스 손상의 가능성을 피하기 위해 리드가 튜브 내벽에 대해 위치하는 것이 중요합니다.
셋째, 이식 수술 중에 후두 신경은 손상을 방지하기 위해 신중하게 해부해야합니다. 이식의 나중 단계에서, 리셉터클에 핀을 삽입 할 때, 힘은 핀의 머리의 갑작스런 굴곡을 방지하기 위해 구멍에 정렬핀에 적용되어야한다. 그 후, 뼈 시멘트는 완전한 절연 및 채널 사이의 누화의 예방을 위해 리셉터클 바닥에 철저하게 배포되어야한다. 마지막으로, 감염 예방은 시간이 지남에 따라 임플란트 시스템의 무결성을 보장하는 데 중요합니다. 그것은 여러 기동의 조합에 의해 달성 될 수있다 : 리셉터클에 스커트의 추가, 항생제 의 관리, 조직 호환 방부제 용액상처와 리셉터클의 매일 청소, 세션 사이의 파편을 깨끗하게 유지하기 위해 리셉터클의 여성 핀에 더미 남성 핀의 배치.
이 프로토콜은 이 개 후두 모델에서 성공한 것으로 입증되었습니다. 그러나 일부 수정 또는 대체 전략은 다른 응용 프로그램에 대해 고려될 수 있습니다. 예를 들어, PCA 및 TA-LCA EMG 전극의 절연 감지 팁은 폴리에스테르 이식편 또는 DBS 전극 중 하나-외부 수단에 의해 근육에 고정된다. 외부 앵커링이 필요하지 않거나 수행되지 않는 응용 분야에서는 전극의 바브만으로도 앵커 역할을 할 수 있습니다. 이러한 경우, 테프론 코팅, 스테인리스, 모노필라멘트 와이어는 더 큰 인장 강도를 고려하여 멀티필라멘트 와이어에 바람직할 수 있으며, 조직에서 보다 안정한 바브를 제공한다. 그러나 다중 필라멘트 와이어가 파손되기 쉽기 때문에 주의해야 합니다. 피부 리셉터클의 제조 및 조립에 대한 대체 전략은 생체 적합성 폴리머(예: Stratasys에 의한 MED610)를 사용하여 3D 인쇄하는 것입니다. 이는 제조 공정을 단순화할 수 있다.
이식 수술 및 동물의 회복 후, 생리세션은 기준선 데이터를 얻기 위해 여전히 손상되지 않은 RlN으로 진행됩니다. 세션 도중, 후두 근육에서 EMG 신호의 부재는 RLN 자극 다음 생길 수 있습니다. 원인(표 1)을트러블슈팅하기 위해 먼저 보컬 폴드 움직임이 존재하는지 여부를 결정해야 한다. 그것이 존재하는 경우에, 이것은 신경이 효과적으로 커프에 의해 활성화된다는 것을 의미합니다, 그러나 EMG 지도에 문제가 있습니다. 이 경우 사용자는 EMG 자극 아티팩트를 더 자세히 살펴봐야 합니다. EMG 아티팩트가 없는 경우, Preamplifier에 대한 EMG 입력에 불연속이 있을 수 있습니다. 60사이클 노이즈도 진폭으로 존재합니다. 아티팩트가 큰 경우, 자극 핀에서 레코딩 핀으로 의기질은 채널 프리앰프를 포화시키고 EMG 반응을 말살하는 책임이 있을 수 있다. 아티팩트가 정상인 경우, EMG 리드는 근육에서 탈구될 가능성이 있으며 그 활동을 감지할 수 없습니다. 다른 한편으로는, 보컬 접기 운동이 결석하는 경우에, 신경은 활성화되지 않습니다. 아티팩트가 없는 경우, 자극 회로에 불연속이 있을 수 있으며, 신경 활성화를 방지할 수 있다. 유물이 정상으로 나타나면 임플란트 수술 중에 신경이 부상을 입었거나 커프가 신경에서 멀어질 수 있습니다. 유사한 전략은 SLN 자극 도중 결석 한 EMG 신호의 원인을 트러블슈팅하기 위해 적용될 수 있습니다.
자극 된 신경 | 대상 근육(들) | 입측 보컬 폴드 무브먼트 | 자극 아티팩트 | 원인 |
RLN (동음이의) | PCA 및/또는 TA-LCA | 예 | 부재(60사이클 노이즈 존재) | 프리앰프에 대한 EMG 입력의 불연속(예: 리드, 핀, 케이블); |
큰 | 리셉터클에서 스팀과 레코딩 핀 간의 크로스토크 | |||
정상적인 | EMG 전극의 전위 | |||
아니요 | 결 석 | 자극 회로의 불연속성 | ||
정상적인 | 1. RLN 부상; 2. 커프 전위 | |||
.sln | 타-LCA | 예 | 부재(60사이클 노이즈 존재) | 프리앰프에 대한 EMG 입력의 불연속(예: 리드, 핀, 케이블); |
큰 | 리셉터클에서 스팀과 레코딩 핀 간의 크로스토크 | |||
정상적인 | EMG 전극의 전위 | |||
아니요 | 결 석 | 자극 회로의 불연속성 | ||
정상적인 | 1. SLN 또는 RLN 부상; 2. 커프 전위 |
표 1: 문제 해결 가이드.
이 기술의 현재 응용 프로그램에는 두 가지 사소한 제한이 있음을 언급해야합니다. 첫째, 리셉터클에 삽입하는 동안 암핀의 갑작스런 굽힘이 여러 경우에 일어났다. 다행히핀을 스트레이트하여 구멍에 성공적으로 삽입할 수 있습니다. 핀 손상을 복구할 수 없는 경우 리드와 전체 구성 요소를 교체해야 합니다. 따라서 수술 전에 백업 구성 요소를 쉽게 사용할 수 있어야 합니다. 둘째, 외과 이식을 완료하는 데 필요한 시간은 길다 (~10 시간). 긴 기간은 부분적으로 이 연구에 필요한 많은 수의 자극 및 재코딩 구성 요소를 반영합니다: 네 개의 신경, 4개의 근육, 리셉터클 및 IPG. 이 기술을 사용하여 더 적은 수의 성분이 요구되는 경우, 이식 시간이 현저히 감소되어야 한다(예를 들어, 래트 혀 모델28).
이 기술 적 접근 방식은 기존 방법에 비해 장점이 있는 몇 가지 기능을 소개합니다. 리드 와이어의 코일링은 이 시스템의 가장 참신하고 중요한 기능입니다. 코일 리드는 그들이 제공하는 많은 혜택에도 불구하고 비상업적 동물 실험에 일반적으로 사용할 수 없습니다. 코일 리드는 이식 중에 원하는 길이로 확장될 수 있다. 또한, 이식 후 전극 팁 또는 와이어 파손의 탈구를 방지하기 위해 동물을 이동, 깨어에서 스트레칭한다. 이 기능은 임플란트의 수명을 보장하고 장기적으로 안정적인 신경 자극및 근육 기록을 보장합니다. 또한, 리셉터클 주위에 조직 호환 스커트를 추가하면이 이물질에 상처가 노출되는 것을 방지하고 감염이없는 경우 정상적인 섬유증 및 상처 치유를 촉진합니다. 이 치마없이 이전 연구는 실험의 조기 감염과 조기 종료결과. 마지막으로, 이 임플란트 시스템은 컴팩트하고 다채널화되어 다양한 크기의 동물 모델에서 수많은 신경 근육 구조에서 효과적인 데이터 수집을 가능하게 합니다.
이러한 기술적 접근법은 적응되어 쥐 모델로 성공적으로 번역되었습니다. 이 연구는 노화 쥐에 혀 근육 위축 및 기능 장애를 방지에 전기 컨디셔닝의 효과 조사 하도록 설계 되었습니다. 저자극성 신경은 컨디셔닝을 위한 커프전극과 EMG 기록전극(28)으로이식된 혀를 이식하였다. 이 기술은 다른 연구 응용 분야에서도 활용될 수 있습니다. 개 후두에서 현재 프로토콜의 확장으로, 선택적 reinnervation을 촉진에 전기 컨디셔닝의 효과 현재 토끼 얼굴 근육에서 공부 되고있다. 이 연구는 벨 마비 환자에서 안면 synkinesis의 예방에 대 한 기초를 제공할 수 있습니다., 일반적이 고 쇠 약 의료 조건. 이 기술의 최종 잠재적 인 사용은 자극하고 깨어에서 기록하는 것입니다, 자유롭게 움직이는 동물. 현재, 이러한 데이터는 깨어있는, 억제되지 않은 쥐28로부터외부 케이블을 통해 얻어졌다. 미래에, 이러한 경제적인 시스템은 또한 원격 기록-자극 기술(예를 들어, 원격 측정)과 결합되어 신경근육 시스템을 무선으로 활성화 또는 프로브할 수 있다.
The authors have nothing to disclose.
저자는 연구 전반에 걸쳐 동물 관리 및 데이터 수집에 대한 그녀의 기여에 대한 홍메이 우 박사에게 감사드립니다. 에이미 수녀, 제이미 애드콕, 필 윌리엄스가 멸균 수술을 도와준 것에 대해 감사드립니다. 밴더빌트 대학 동물 보호 시설의 직원의 전문 지식과 헌신은 매우 귀중했습니다. 이 연구는 NIH 교부금 U01DC016033에 의해 지원되었다.
20 G x 1" Gauge hypodermic needle | BD | 305175 | |
23 G x 1" Gauge hypodermic needle | BD | 305145 | |
25 G x 1" Gauge hypodermic needle | BD | 305125 | |
3-0 absorbable sutures, COATED VICRYL | Ethicon | J219H | |
3-0 monofilament, nonabsorbable sutures, Prolene | Ethicon | 8684G | |
4-0 monofilament, nonabsorbable sutures, Prolene | Ethicon | 8871H | |
6-0 monofilament, nonabsorbable taper needle suture, Prolene | Ethicon | 8805 | |
7-0 monofilament, nonabsorbable sutures, Prolene | Ethicon | M8735 | |
Adhesive silicone solvent-Hexamethydisiloxane 98% | ACROS | code 194790100 | for dilution of modical adhesive silicone |
Bone cement | Zimmer | 1102-16 | 20g powder 10ml liquid |
Buprenorphine (Buprenex, ampules of 1ml) | Reckitt Benckiser Healthcare (UK) Ltd | 12496-0757-1 | |
CCD video camera attached to the endoscope | Sony | MCC500MD | |
Cefpodoxime (Simplicef 100mg tablets) | Zoetis | 5228 | |
Data acquisition device , PowerLab 16/35 | ADInstruments, Inc | 5761-E | |
Deep-brain stimulation (DBS) electrodes | Abbott | 6172ANS | |
Digital oscilloscope | Tektronix | DPO71304SX | |
Implantable pulse generator (IPG), Infinity | Abbott | 6660ANS | |
Knitted polyester graft | Meadox Medical Inc | 92220 | 20mm in diameter |
Medical Grade Polyethylene Micro Tubing | Amazon.com | BB31695-PE/13-10 | OD 0.156", ID 0.094" |
Metal female pin | Allied Electronics & Automation | 220-S02-100 | |
Metal male pin | CDM electronics | 220-p02-1 | |
Prefabricated coiled leads | Medical innovations Inc. | ||
Silastic Laboratory Tubing | Cole-Parmer | 2415569 | OD 0.125", ID 0.062" |
Silastic Medical Adhesive Silicone | Dow corning | Type A, 2 oz | |
Stainless steel monofilament wire | The Harris Products Group | type 316 | 0.008" (coated), 0.005" (bare) |
Sterile Disposable Biopsy Punch (4mm) | Sklar Instruments | 96-1146 | |
Strip connector | CDM electronics | 2.6 x 11.6 x 101.5 mm | single row, round, through hole |
Teflon-coated multi-filament stainless steel wire | Medwire | Part 316, ss7/44T | |
Tiletamine and Zolazepam combination, Telazol – 5mL | Zoetis | 004866 | |
Tissue-compatible antiseptic solution, Nolvasan – 1 Gal. | Zoetis | 540561 | |
Zero-degree rigid endoscope | Karl Storz | 8712AA |