Craniale vensters zijn alomtegenwoordig geworden op het gebied van neurowetenschappen, neurale engineering en biologie om directe visualisatie en beeldvorming van de cortex bij levende dieren mogelijk te maken 1,2,3,4,5,6,7,8,9,10,11 . De krachtige combinatie van transgene muizen en multifotonenbeeldvorming heeft uiterst waardevolle inzichten opgeleverd in circuitactiviteit en andere biologische inzichten in de in vivo hersenen 12,13,14,15,16,17,18. Miniatuurmicroscopen die op de schedel zijn gemonteerd, hebben deze mogelijkheden verder uitgebreid om opnames mogelijk te maken bij wakkere, vrij bewegende dieren19. Het proces van het maken van een schedelvenster vereist krachtboren om het schedelbot te verdunnen of volledig te verwijderen om voldoende grote craniotomieën te produceren om een transparant stuk glas over de cortex20 te bevestigen. Polydimethylsiloxaan (PDMS) en andere polymeren zijn ook getest als craniale raammaterialen 9,21. Uiteindelijk is het ideale schedelvenster er een die de normale endogene activiteit eronder niet verandert of verstoort. Het is echter algemeen aanvaard dat craniale raamboringen het onderliggende weefsel verergeren, wat leidt tot schade aan de hersenen, verstoring van de omgeving en het beïnvloeden van hersenvliezen tot het punt van het afsluiten van multifotonbeelddiepte22. De resulterende neuro-inflammatie heeft een breed scala aan effecten, variërend van permeabiliteit van de bloed-hersenbarrière (BBB) tot activering en rekrutering van gliacellen rond de implantaatplaats23. Daarom is het karakteriseren van veiligere en meer reproduceerbare craniale raamboormethoden cruciaal voor een consistente beeldkwaliteit en het verminderen van verstorende factoren.
Hoewel er zorg wordt besteed aan het minimaliseren van trauma aan het onderliggende weefsel, heeft de handeling van het boren van het bot het potentieel om zowel thermische als mechanische verstoringen van de hersenen te veroorzaken24,25. Mechanisch trauma door toevallige boorpenetratie in de dura kan verder verschillende gradaties van corticale schade veroorzaken24. In een studie van Shoffstall et al.25 resulteerde de hitte van botboringen in een verhoogde BBB-permeabiliteit, zoals aangegeven door de aanwezigheid van Evans Blue (EB) kleurstof in het hersenparenchym25. EB-kleurstof, intraveneus geïnjecteerd, bindt zich aan circulerend albumine in de bloedbaan en passeert daarom normaal gesproken geen gezonde BBB in merkbare concentraties. Als gevolg hiervan wordt EB-kleurstof vaak gebruikt als een gevoelige marker van BBB-permeabiliteit26,27. Hoewel hun studie niet direct de impact van de BBB-permeabiliteit op de daaropvolgende biologische sequelae in studie heeft gemeten, hebben eerdere studies BBB-permeabiliteit gecorreleerd aan een verhoogde neuro-inflammatoire respons op chronisch geïmplanteerde micro-elektroden en veranderingen in de motorische functie28.
Afhankelijk van de doelstellingen van het onderzoek kan de omvang van thermische en mechanische schade bijdragen aan een bron van experimentele fouten, die de strengheid en reproduceerbaarheid van het onderzoek negatief beïnvloeden. Er zijn tientallen aangehaalde methoden voor het produceren van schedelramen, elk met behulp van verschillende boorapparatuur, snelheden, technieken en gebruikers 1,2,3,4,5,6,7,8,9,10,11. Shoffstall et al.25 rapporteerden dat de waargenomen variatie in de verwarmingsresultaten werd toegeschreven aan variabiliteit in de uitgeoefende kracht, toevoersnelheid en toepassingshoek van de boor, naast andere aspecten die niet kunnen worden gecontroleerd bij het boren met de hand 25. Er is een overtuiging dat geautomatiseerde boorsystemen en andere stereotaxische apparatuur de reproduceerbaarheid en uitkomstconsistentie kunnen verbeteren, maar gepubliceerde methodestudies hebben de temperatuur of BBB-permeabiliteit niet rigoureus geëvalueerd als een van de uitkomsten. Daarom is er behoefte aan meer reproduceerbare en consistent toegepaste methoden om schedelvensters te produceren, evenals methoden die rigoureus worden toegepast om de impact van craniale raamboringen op onderliggend neuraal weefsel te beoordelen.
De focus van deze studie ligt op het bepalen en ontwikkelen van consistente en veilige boormethoden voor schedelramen. De grootte van de craniotomie voor craniale raaminstallatie is aanzienlijk groter dan standaard craniotomieën voor hersengeïmplanteerde micro-elektroden. Dergelijke craniotomieën kunnen niet worden voltooid met een enkel braamgat bij gebruik van standaardapparatuur, waardoor meer inter-chirurgentechniek variabiliteit wordt geïntroduceerd wanneer ze met de hand worden uitgevoerd20. Chirurgische boorrobots zijn geïntroduceerd in het veld, maar zijn niet op grote schaal toegepast 1,6,29. Automatisering van boren biedt controle over variabelen die bijdragen aan waargenomen trial-to-trial variatie, wat suggereert dat het gebruik van de apparatuur inter- en intra-chirurgeneffecten kan verminderen. Dit is van bijzonder belang gezien de extra moeilijkheid van de grotere craniotomie die nodig is voor het plaatsen van schedelvensters. Hoewel men zou kunnen aannemen dat er duidelijke voordelen zijn voor de controle die wordt geboden door het automatiseren van het boren, is er weinig beoordeling geweest van de implementatie van deze apparatuur. Hoewel er geen zichtbare laesies zijn waargenomen5, is de hogere gevoeligheidstest met EB gewenst.
Hier wordt de BBB-permeabiliteit gemeten met behulp van een in de handel verkrijgbare chirurgische boorrobot met bijbehorende software, die het mogelijk maakt om stereotaxische coördinaten, craniotomieplanning / mapping en een selectie van boorstijlen ("puntsgewijs" versus "horizontaal") te programmeren, verwijzend naar het gerouteerde pad van de boor. In eerste instantie worden acht "zaad" -punten geboord (figuur 1A), die het schedelvenster schetsen. Vanaf hier wordt de ruimte tussen de zaden uitgesneden met behulp van de "punt-voor-punt" of "horizontale" boormethode. "Point-by-point" voert verticale pilot hole cuts uit (vergelijkbaar met een CNC-boorpers), terwijl "horizontaal" horizontale sneden uitvoert langs de omtrek van het schedelvenster dat het gat omlijnt (vergelijkbaar met een CNC-router). Het resultaat voor beide methoden is een stuk schedel dat kan worden verwijderd om het schedelvenster te onthullen. Om schade door boren te isoleren, wordt het schedelvenster niet fysiek verwijderd, om extra schade te voorkomen. Een combinatie van EB-kleurstof in combinatie met fluorescerende beeldvorming wordt gebruikt om BBB-permeabiliteit te meten na het uitvoeren van craniotomieën bij muizen, en een ingebracht thermokoppel wordt gebruikt om de temperatuur van het hersenoppervlak tijdens het boren direct te meten (figuur 1B, C). Eerdere waarnemingen gaven aan dat gepulseerd boren aan/uit met 2 s intervallen voldoende was om boorverwarming25 te verminderen, en daarom is opgenomen in de experimentele aanpak voor de chirurgische robot.
De bedoeling van het gepresenteerde werk is om methoden te demonstreren voor het beoordelen van thermische schade door craniotomieboringen. Hoewel de methoden worden gepresenteerd in de context van geautomatiseerd boren, kunnen dergelijke methoden ook worden toegepast op handmatige boorschema's. Deze methoden kunnen worden gebruikt om het gebruik van apparatuur en/of boorschema's te valideren voordat ze als standaardprocedure worden aangenomen.

Figuur 1: Experimenteel pijplijnschema. Schematisch aantonen van het proces dat dieren ondergingen voor EB-kwantificering na de craniale vensterprocedure. (A) Schematische opstelling van de muis met het stereotaxische frame en de chirurgische robotboor. Een voorbeeld van een schedelvenster wordt getoond over de motorische cortex met zaadpunten (groen) en randpunten (blauw). (B) De perfusie-opstelling omvat het injecteren van 1x fosfaat gebufferde zoutoplossing (PBS) door het hele dier om bloed te verwijderen, gevolgd door extractie van de hersenen. (C) De hersenen worden vervolgens in de EB fluorescerende beeldvormingssysteemkamer geplaatst om fluorescerende beeldvorming op de Evans Blue-kleurstof uit te voeren. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.