Name: De spiermanchet regeneratieve perifere zenuwinterface voor de versterking van intacte perifere zenuwsignalen (Video) | JoVE Journal
Uploaded: 2022-01-13T15:00:00.000+00:00
Duration: 7 min 30 s
Description: Leer de spiermanchet regeneratieve perifere zenuwinterface (MC-RPNI) voor het versterken van zenuwsignalen in neuroprothetisch onderzoek. Deze biologische methode versterkt microvolt-signalen honderdvoudig voor betrouwbare motorintentiedetectie.

ai_agent_IP

ai_agent

maintenance

instantTrialDurationMinutes

isBiopharma

enableNewMyJoveSectionDesign

educationFeatures

seoMetaApi

ai_copilot_institution_blacklist

ai_chat_institution_blacklist

freeAccessWindow

ssoRoleCapture

scheduledMaintenanceBanner

joveLabsFeatures

disable_autoplay_for_bots

extended_trial_duration

5 minutes

De auteurs bedanken Jana Moon voor haar deskundige laboratoriumbeheer en technische assistentie en Charles Hwang voor zijn beeldvormingsexpertise. Experimenten in dit artikel werden gedeeltelijk gefinancierd door subsidies van de Plastic Surgery Foundation aan SS (3135146.4) en het National Institute of Child Health and Human Development onder awardnummer 1F32HD100286-01 aan SS, en het National Institute of Arthritis and Musculoskeletal and Skin Diseases van de National Institutes of Health onder awardnummer P30 AR069620.

Alle dierprocedures en experimenten werden uitgevoerd met de goedkeuring van het Institutional Care and Use of Animals Committee (IACUC) van de Universiteit van Michigan. Mannelijke en vrouwelijke Fischer F344- en Lewis-ratten (~ 200-300 g) op de leeftijd van 3-6 maanden worden het vaakst gebruikt in experimenten, maar elke stam kan theoretisch worden gebruikt. Als donorratten worden gebruikt in plaats van autologe spiertransplantaten, moeten donorratten isogeen zijn voor de experimentele stam. Ratten krijgen zowel pre- als postoperatief vrije toegang tot voedsel en water. Na terminale eindpuntevaluaties wordt euthanasie uitgevoerd onder diepe anesthesie met intra-cardiale kaliumchloride-injectie gevolgd door een secundaire methode van bilaterale pneumothorax.
1. Experimentele voorbereiding van de rat
<ol><li>Verdoof de experimentele rat met behulp van een oplossing van 5% isofluraan in zuurstof bij 0,8-1,0 l / min in een inductiekamer. Zodra adequate anesthesie is bereikt en bevestigd met de afwezigheid van corneareflex, plaatst u de rat op een rebreatherneuskegel met isofluraan verlaagd tot 1,75% -2,25% voor onderhoud van anesthesie.</li>
	<li>Injecteer een oplossing van 0,02-0,03 ml Carprofen (50 mg / ml) in 0,2 ml steriele zoutoplossing met een naald van 27 g in het onderhuidse vlak tussen de schouderbladen voor peri- en postoperatieve analgesie.</li>
	<li>Breng steriele oogzalf aan op beide ogen om hoornvlieszweren te voorkomen terwijl u verdoofd bent.</li>
	<li>Scheer met behulp van een elektrisch scheermes het laterale deel van de bilaterale onderste ledematen, dat zich uitstrekt van het heupgewricht, over de dij en naar het dorsale oppervlak van de poot.</li>
	<li>Steriliseer de chirurgische site door eerst af te vegen met een alcoholvoorbereidingspad, gevolgd door het aanbrengen van povidon-jodiumoplossing, eindigend met een laatste reiniging met een nieuw alcoholvoorbereidingspad om de resterende povidon-jodiumoplossing te verwijderen. Herhaal dit afwisselende reinigingsproces drie keer om de steriliteit te behouden. OPMERKING: Dit kan een dermatologische irriterende stof zijn; zorg ervoor dat het grootste deel van de oplossing wordt verwijderd.</li>
</ol>2. Voorbereiding van het spiertransplantaat
<ol><li>Plaats de rat op een verwarmingskussen onder een chirurgische microscoop met een intraorale lichaamstemperatuursonde naar keuze voor het bewaken van de lichaamstemperatuur. Behoud isofluraan op 1,75% -2,25% en zuurstof op 0,8-1,0 l /min.</li>
	<li>Maak een longitudinale incisie langs het voorste aspect van de gewenste donorachterhoek die zich uitstrekt van net boven de enkel tot net onder de knie met een # 15 scalpel.</li>
	<li>Ontleed door het onderliggende onderhuidse weefsel met behulp van een scherpe irisschaar om de onderliggende spieren en distale pezen bloot te leggen, net proximaal aan het enkelgewricht. Tibialis anterior (TA) is de grootste en meest anterieure van de spieren; de extensor digitorum longus (EDL) spier is net diep en achter deze spier te vinden. Isoleer de EDL-spier en de distale pees van de omliggende spieren.</li>
	<li>Zorg voor isolatie van de juiste pees door beide tanden van een tang of irisschaar onder de distale pees net proximaal aan het enkelgewricht in te brengen. Oefen opwaartse druk uit op de pees door de tang of irisschaar te openen. Deze beweging moet een gelijktijdige verlenging van alle tenen tegelijkertijd produceren. Als geïsoleerde enkel dorsiflexie, enkeleversie of dorsiflexie met één teen optreedt, is de verkeerde pees geïsoleerd.</li>
	<li>Voer een distale tenotomie van de EDL-spier uit ter hoogte van de enkel met een scherpe irisschaar en ontleed de spier vrij van omliggende weefsels die proximaal naar zijn tendineuze oorsprong werken.</li>
	<li>Zodra de proximale pees is gevisualiseerd, voert u een proximale tenotomie uit met behulp van een scherpe irisschaar om het transplantaat te bevrijden.</li>
	<li>Knip beide tendineuze uiteinden van het spiertransplantaat en knip op de gewenste lengte met een scherpe irisschaar. OPMERKING: Grafts van 8-13 mm zijn met succes gebruikt; de meest gebruikte lengte is echter 10 mm.</li>
	<li>Maak aan de ene kant van het spiertransplantaat een longitudinale incisie over de gehele getrimde lengte om de plaatsing van de zenuw in het spiertransplantaat te vergemakkelijken en contact van de zenuw met endomysium te bieden.</li>
	<li>Plaats het voorbereide spiertransplantaat in een zoutoplossing bevochtigd gaasje om uitdroging van het weefsel te voorkomen.</li>
	<li>Sluit de huid boven de donorplaats met 4-0 chromische hechting op een lopende manier.</li>
</ol>3. Gemeenschappelijke peroneuszenisolatie en -voorbereiding
<ol><li>Markeer de chirurgische incisie, die zich uitstrekt van een lijn ~ 5 mm van de ischiasinkeping, die zich uitstrekt tot net inferieur aan het kniegewricht. Zorg ervoor dat deze markering inferieur is aan en schuin verwijderd is van het dijbeen dat eronder kan worden gepalpeerd.</li>
	<li>Insnijden door de huid en onderhuidse weefsels langs de gemarkeerde incisielijn met een # 15 mes. Snijd voorzichtig door de onderliggende biceps femoris fascia en zorg ervoor dat u zich niet door de hele diepte van de spier uitstrekt, omdat de heupzenuw er net onder ligt.</li>
	<li>Gebruik een stompe kleine schaar of een hemostat, ontleed zorgvuldig door de biceps femoris spier. OPMERKING: De heupzenuw reist in deze ruimte onder de biceps, ongeveer in dezelfde richting gericht als de incisie op de huid. Er zijn drie opmerkelijke heupzenuwtakken: sural (meest achterste en kleinste van de zenuwen), tibial (meestal de meest anterieure, maar deze zenuw duikt altijd diep naar het kniegewricht) en common peroneal (meestal gelegen tussen tibiale en surale, reist altijd boven het kniegewricht).</li>
	<li>Identificeer de gemeenschappelijke peroneale (CP) zenuw en isoleer deze zorgvuldig van de omliggende zenuwen met behulp van een paar microtangen en microscharen. Verwijder alle omliggende bindweefsels uit de middelste 2 cm van de zenuw. Zorg ervoor dat u de CP-zenuw niet verplettert met een tang in dit proces, omdat crush-letsel de eindpuntresultaten kan veranderen.</li>
	<li>Voer over het meest centrale deel van de bevrijde CP-zenuw een epineuriaal venster uit door 25% van het epineurium langs de lengte van de zenuw te verwijderen die overeenkomt met de gewenste lengte van het spiertransplantaat.</li>
	<li>Om dit uit te voeren, houdt u het proximale epineurium met microtang vast, snijdt u in het epineurium dat onmiddellijk ten grondslag ligt aan een microdissectieschaar en verwijdert u ~ 25% van het epineurium dat distaal langs de zenuw reist. Zorg ervoor dat u dit segment in één stuk verwijdert, omdat meerdere pogingen onregelmatige epineuriale verwijdering kunnen veroorzaken, waardoor het risico op zenuwletsel toeneemt. OPMERKING: Het zenuwweefsel dat ten grondslag ligt aan het epineurium heeft een goo-achtige textuur; het opmerken van deze kwaliteit van de zenuw zorgt ervoor dat het juiste weefselvlak is verwijderd.</li>
</ol>4. MC-RPNI construct fabricage
<ol><li>Verwijder het spiertransplantaat uit het zoutoplossing bevochtigde gaas en plaats het onder het centrale deel van de CP-zenuw waar het epineuriale venster is ontstaan. Draai de zenuw 180° zodat het epineuriale venstergedeelte contact maakt met intacte spieren en niet ten grondslag ligt aan de uiteindelijke hechtlijn.</li>
	<li>Een 8-0 gebruiken nylon hechting, hecht het epineurium van de CP-zenuw zowel proximaal als distaal aan het spiertransplantaat in de groef die in stap 2.8 is gecreëerd met behulp van eenvoudige onderbroken hechtingen om epineurium aan endomysium te binden. OPMERKING: Plaats deze hechtingen en zorg ervoor dat de spier op normale rustlengte is. Het te veel uitrekken of comprimeren van de spier kan later van invloed zijn op de regeneratie en signaleringsmogelijkheden.</li>
	<li>Omtrek de randen van het spiertransplantaat rond de nu beveiligde zenuw en hechting op hun plaats met behulp van eenvoudige onderbroken 8-0 nylon steken (~ 4-6 afhankelijk van de lengte).</li>
	<li>Zodra hemostase is bereikt, sluit u de biceps femoris fascia over de constructie met 5-0 chromische hechting op lopende wijze.</li>
	<li>Sluit de bovenliggende huid op lopende wijze af met een 4-0 chromische hechting.</li>
	<li>Reinig het operatiegebied met een alcoholvoorbereidingspad en breng antibiotische zalf aan.</li>
	<li>Beëindig de inhalatie-verdoving en plaats de rat in een schone kooi geïsoleerd van kooigenoten en laat herstellen met voedsel en water ad lib.</li>
	<li>Zodra de rat voldoende is hersteld, plaatst u hem terug bij kooigenoten in een schone kooi. OPMERKING: Deze constructies vereisen een rijping van minimaal drie maanden om adequate zenuwsignaalversterking te produceren.</li>
</ol>

De auteurs hebben geen onthullingen.

De MC-RPNI is een nieuw construct dat het mogelijk maakt om de efferente actiepotentialen van een intacte, perifere motorzenuw te versterken om een exoskeletapparaat nauwkeurig te besturen. In het bijzonder verleent de MC-RPNI een bijzonder voordeel aan personen met extremiteitszwakte veroorzaakt door significante spierziekte en / of afwezigheid van spieren waar EMG-signalen niet kunnen worden geregistreerd. Het verminderen van de reeds gecompromitteerde spierfunctie zou verwoestend zijn in deze populatie; de MC-RPNI hee...

Alleen al in de Verenigde Staten worden ongeveer 130 miljoen mensen getroffen door neuromusculaire en musculoskeletale aandoeningen, wat resulteert in meer dan $ 800 miljard aan jaarlijkse economische impact 1,2. Deze groep aandoeningen is meestal secundair aan pathologie in het zenuwstelsel, op de neuromusculaire overgang of in de spier zelf3. Ondanks de verscheidenheid aan pathologische oorsprongen, deelt de meerderheid een zekere mate van extremiteitszwakte 1,3. Helaas is deze zwakte vaak permanent gezien de beperkingen in neurale en spierweefselregeneratie, vooral in de setting van ernstig trauma 4,5,6.
Algoritmen voor de behandeling van extremiteitszwakte hebben zich klassiek gericht op revalidatieve en ondersteunende maatregelen, vaak afhankelijk van het benutten van de mogelijkheden van de resterende intacte ledematen (stokken, rolstoelen, enz.) 7. Deze strategie schiet echter tekort voor degenen wiens zwakte niet beperkt is tot een enkele extremiteit. Met recente innovaties in robottechnologieën zijn geavanceerde exoskeletapparaten ontwikkeld die de extremiteitsfunctionaliteit herstellen voor mensen die leven met extremiteitszwakte 8,9,10,11,12,13. Deze robotische exoskeletten zijn vaak aangedreven, draagbare apparaten die kunnen helpen bij het initiëren en beëindigen van beweging of onderhoud van de ledemaatpositie, waardoor een variërende hoeveelheid kracht wordt geboden die individueel kan worden aangepast voor de gebruiker 8,9,10,11,12,13 . Deze apparaten worden geclassificeerd als passief of actief, afhankelijk van hoe ze motorische ondersteuning bieden aan de gebruiker: actieve apparaten bevatten elektrische actuatoren die het vermogen van de gebruiker vergroten, terwijl passieve apparaten energie opslaan van de bewegingen van de gebruiker om deze terug te geven aan de gebruiker wanneer dat nodig is14. Omdat actieve apparaten de mogelijkheid hebben om de vermogensmogelijkheden van een gebruiker te vergroten, worden deze apparaten veel vaker gebruikt in de setting van extremiteitszwakte[14].
Om de motorische intentie in deze populatie te bepalen, vertrouwen moderne exoskeletten vaak op patroonherkenningsalgoritmen die worden gegenereerd uit elektromyografie (EMG) van distale ledemaatspieren 8,15,16,17 of oppervlakte-elektro-encefalografie (sEEG) van de hersenen 18,19,20 . Ondanks de belofte van deze detectiemodaliteiten, hebben beide opties aanzienlijke beperkingen die wijdverbreid gebruik van deze apparaten uitsluiten. Aangezien sEEG signalen op microvoltniveau transcraniaal 18,19,20 detecteert, richt de kritiek zich vaak op het onvermogen om deze signalen te onderscheiden van achtergrondruis21. Wanneer achtergrondruis vergelijkbaar is met het gewenste opnamesignaal, produceert dit lage signaal-ruisverhoudingen (SNR's), wat resulteert in onnauwkeurige motordetectie en classificatie22,23. Nauwkeurige signaaldetectie is bovendien afhankelijk van stabiel hoofdhuidcontact met lage impedantie21, dat aanzienlijk kan worden beïnvloed door de aanwezigheid van grof / dik haar, gebruikersactiviteit en zelfs zweten22,24. EMG-signalen daarentegen zijn enkele magnituden groter in amplitude, waardoor een grotere nauwkeurigheid van de motorsignaaldetectie mogelijk is 15,18,25. Dit brengt echter kosten met zich mee, omdat nabijgelegen spieren het signaal kunnen besmetten, waardoor de vrijheidsgraden die door het apparaat kunnen worden bestuurd 16,17,25 en een onvermogen om diepe spierbewegingen te detecteren 25,26,27,28 afnemen. Het belangrijkste is dat EMG niet kan worden gebruikt als een controlemethode wanneer er sprake is van aanzienlijk spiercompromis en volledige afwezigheid van weefsel29.
Om de ontwikkeling van robotachtige exoskeletten te bevorderen, is consistente en nauwkeurige detectie van de motorische intentie van de beoogde gebruiker vereist. Interfaces die het perifere zenuwstelsel gebruiken, zijn ontstaan als een veelbelovende interfacetechniek, gezien hun relatief eenvoudige toegang en functionele selectiviteit. Huidige interfacingmethoden voor perifere zenuwen kunnen invasief of niet-invasief zijn en vallen meestal binnen een van de drie categorieën: extraneurale elektroden 30,31,32,33, intrafasciculare elektroden 34,35,36 en penetrerende elektroden 37,38,39,40 . Aangezien perifere zenuwsignalen zich over het algemeen op het niveau van microvolts bevinden, kan het moeilijk zijn om deze signalen te onderscheiden van vergelijkbare amplitude-achtergrondruis 41,42, wat de algehele motordetectienauwkeurigheid van de interface vermindert. Deze lage signaal-ruisverhoudingen (SNR) verslechteren vaak in de loop van de tijd als gevolg van verslechterende elektrode-impedantie43 die wordt geproduceerd door afbraak van het apparaat39,43, of lokale reactie van vreemd lichaam die littekenweefsel rond het apparaat produceert en / of lokale axonale degeneratie37,44. Hoewel deze tekortkomingen over het algemeen kunnen worden opgelost met reoperatie en implantatie van een nieuwe perifere zenuwinterface, is dit geen levensvatbare langetermijnoplossing omdat met vreemd lichaam geassocieerde reacties zouden blijven optreden.
Om deze lokale weefselreacties te voorkomen die worden gegenereerd door de interactie van perifere zenuwen met abiotische interfaces, is een interface met een biologische component noodzakelijk. Om deze tekortkoming aan te pakken, werd de Regenerative Peripheral Nerve Interface (RPNI) ontwikkeld om getranseceerde perifere zenuwen te integreren in de resterende ledematen van mensen met amputaties met prothetische apparaten 45,46,47,48. Fabricage van de RPNI omvat chirurgische implantatie van een getranseceerde perifere zenuw in een segment van autoloog vrij spiertransplantaat, waarbij revascularisatie, regeneratie en renervatie in de loop van de tijd plaatsvinden. Door het genereren van milli-volt niveau samengestelde spieractiepotentialen (CMAP's), is de RPNI in staat om het microvoltniveausignaal van zijn ingesloten zenuw met verschillende magnituden te versterken, waardoor nauwkeurige detectie van motorintentie 45,48,49 mogelijk wordt. Er is het afgelopen decennium een aanzienlijke ontwikkeling van de RPNI geweest, met opmerkelijk succes in het versterken en verzenden van efferente motorische zenuwsignalen in zowel dier50,51- alshumane 47-proeven, waardoor een zeer nauwkeurige prothetische apparaatbesturing met meerdere vrijheidsgraden mogelijk is.
Personen met extremiteitszwakte maar intacte perifere zenuwen zouden op dezelfde manier baat hebben bij een zeer nauwkeurige detectie van motorische intentie via perifere zenuwinterfaces om exoskeletapparaten te besturen. Omdat de RPNI werd ontwikkeld voor integratie met getranseceerde perifere zenuwen, zoals bij personen met amputaties, waren chirurgische aanpassingen noodzakelijk. Voortbouwend op de ervaring met de RPNI werd de Muscle Cuff Regenerative Peripheral Nerve Interface (MC-RPNI) ontwikkeld. Bestaande uit een vergelijkbaar segment van vrije spiertransplantaat als in de RPNI, is het in plaats daarvan omtrek gebonden aan een intacte perifere zenuw (figuur 1). Na verloop van tijd regenereert het en wordt het opnieuw geïnnerveerd door collateral axonale kieming, versterkt en vertaalt deze efferente motorische zenuwsignalen naar EMG-signalen die enkele ordes van grootte groter zijn52. Omdat de MC-RPNI biologisch van oorsprong is, vermijdt het de onvermijdelijke reactie van het vreemde lichaam die optreedt bij perifere zenuwinterfaces die momenteel in gebruik zijn52. Bovendien verleent de MC-RPNI de mogelijkheid om meerdere vrijheidsgraden tegelijkertijd te controleren, omdat ze op distally ontlede zenuwen naar individuele spieren kunnen worden geplaatst zonder significante kruisbesprekingen, zoals eerder is aangetoond in RPNIs49. Ten slotte kan de MC-RPNI onafhankelijk van de distale spierfunctie werken omdat deze op de proximale zenuw wordt geplaatst. Gezien de voordelen ten opzichte van de huidige perifere zenuwinterfaces, houdt de MC-RPNI een aanzienlijke belofte in voor het leveren van een veilige, nauwkeurige en betrouwbare methode voor exoskeletcontrole.

```html
<table><tbody><tr><td>#15 Scalpel</td><td>Aspen Surgical, Inc</td><td>Ref 371115</td><td>Rib-Back Carbon Steel Surgical Blades (#15)</td></tr><tr><td>2-N-thin film load cell (S100)</td><td>Strain Measurement Devices, Inc</td><td>SMD100-0002</td><td>Meet kracht gemeten door de aangehechte spier</td></tr><tr><td>4-0 Chromic Suture</td><td>Ethicon</td><td>SKU# 1654G</td><td>P-3 Reverse Cutting Needle</td></tr><tr><td>5-0 Chromic Suture</td><td>Ethicon</td><td>SKU# 687G</td><td>P-3 Reverse Cutting Needle</td></tr><tr><td>8-0 Monofilament Suture</td><td>AROSurgical</td><td>T06A08N14-13</td><td>Zwarte polyamide monofilament naald op een draad met conische punt</td></tr><tr><td>Experimental Rats</td><td>Envigo</td><td>F344-NH-sd</td><td>Ratten zijn Fischer F344 Strain</td></tr><tr><td>Fine Forceps - mirror finish</td><td>Fine Science Tools</td><td>11413-11</td><td>Fijne punt forceps met spiegelfinish, ideaal voor het hanteren van delicate structuren zoals zenuwen</td></tr><tr><td>Fluriso (Isofluorane)</td><td>VetOne</td><td>13985-528-40</td><td>Inhalatieanesthesie</td></tr><tr><td>Force Measurement Jig</td><td>Red Rock</td><td>n/a</td><td>Op maat ontworpen krachtmeetapparaat dat het vastzetten van de achterpoot mogelijk maakt voor nauwkeurige spierkrachtregistratie</td></tr><tr><td>MATLAB software</td><td>Mathworks, Inc</td><td>PR-MATLAB-MU-MW-707-NNU</td><td>Berekent de actieve kracht voor elke geregistreerde krachtcurve uit passieve en totale krachtmetingen</td></tr><tr><td>Nicolet Viasys EMG EP System</td><td>Nicolet</td><td>MFI-NCL-VIKING-SELECT-2CH-EMG</td><td>Draagbaar EMG en zenuwsignaal opnamesysteem dat in staat is tot gelijktijdige 2-kanaals opnames van zenuw en/of spier</td></tr><tr><td>Oxygen</td><td>Cryogenic Gases</td><td>UN1072</td><td>Standaard medische zuurstofcilinders</td></tr><tr><td>Potassium Chloride</td><td>APP Pharmaceuticals</td><td>63323-965-20</td><td>Injecteerbare vorm, 2 mEq/mL</td></tr><tr><td>Povidone Iodine USP</td><td>MediChoice</td><td>65517-0009-1</td><td>10% Topische oplossing, één fles kan voor meerdere chirurgische voorbereidingen worden gebruikt</td></tr><tr><td>Puralube Vet Opthalmic Ointment</td><td>Dechra</td><td>17033-211-38</td><td>Cornea beschermende zalf voor gebruik tijdens de procedure</td></tr><tr><td>Rimadyl (Caprofen)</td><td>Zoetis, Inc.</td><td>NADA# 141-199</td><td>Injecteerbare vorm, 50 mg/mL</td></tr><tr><td>Stereo Microscope</td><td>Leica</td><td>Model M60</td><td>Gebruiker kan vergroting naar eigen voorkeur instellen</td></tr><tr><td>Surgical Instruments</td><td>Fine Science Tools</td><td>Various</td><td>Gebruiker kan instrumenten kiezen volgens persoonlijke voorkeur of uit wat er momenteel beschikbaar is in hun lab</td></tr><tr><td>Triple Antibiotic Ointment</td><td>MediChoice</td><td>39892-0830-2</td><td>De zalf wordt geleverd in steriele, wegwerpverpakkingen</td></tr><tr><td>Vannas Spring Scissors - 2mm cutting edge</td><td>Fine Science Tools</td><td>15000-04</td><td>Gebogen microdissectiescharen gebruikt om het epineurale venster uit te voeren</td></tr><tr><td>VaporStick 3</td><td>Surgivet</td><td>V7015</td><td>Anesthesie toren met ruimte voor isofluoraan en zuurstofcilinder</td></tr><tr><td>Webcol Alcohol Prep</td><td>Coviden</td><td>Ref 6818</td><td>Alcohol voorbereidingsdoekjes; gebruik een nieuw doekje voor elke voorbereiding</td></tr></tbody></table>
```

de spiermanchet regeneratieve perifere zenuwinterface voor de versterking van intacte perifere zenuwsignalen

The Muscle Cuff Regenerative Peripheral Nerve Interface for the Amplification of Intact Peripheral Nerve Signals

Robotische exoskeletten hebben onlangs bekendheid gekregen op het gebied van revalidatiegeneeskunde als een veelbelovende modaliteit voor functioneel herstel voor die personen met extremiteitszwakte. Het gebruik ervan blijft echter grotendeels beperkt tot onderzoeksinstellingen, die vaak fungeren als een middel ter ondersteuning van statische extremiteiten, omdat motorische detectiemethoden onbetrouwbaar blijven. Perifere zenuwinterfaces zijn ontstaan als een mogelijke oplossing voor deze tekortkoming; vanwege hun inherent kleine amplitudes kunnen deze signalen echter moeilijk te onderscheiden zijn van achtergrondgeluid, waardoor hun algehele motordetectienauwkeurigheid wordt verlaagd. Omdat de huidige interfaces afhankelijk zijn van abiotische materialen, kan inherente materiaalafbraak optreden naast de reactie van vreemd lichaamsweefsel in de loop van de tijd, wat hun nauwkeurigheid verder beïnvloedt. De Muscle Cuff Regenerative Peripheral Nerve Interface (MC-RPNI) is ontworpen om deze geconstateerde complicaties te overwinnen. Bestaande uit een segment van vrij spiertransplantaat dat omtrekig is bevestigd aan een intacte perifere zenuw, regenereert het construct en wordt het na verloop van tijd opnieuw geïnnerveerd door de ingesloten zenuw. Bij ratten heeft dit construct het vermogen aangetoond om de motorische efferente actiepotentialen van een perifere zenuw tot 100 keer de normale waarde te versterken door het genereren van samengestelde spieractiepotentialen (CMAP's). Deze signaalversterking vergemakkelijkt een zeer nauwkeurige detectie van motorintentie, waardoor mogelijk betrouwbaar gebruik van exoskeletapparaten mogelijk wordt.

MC-RPNI chirurgische fabricage wordt beschouwd als een peri-operatief falen als ratten de opkomst van chirurgische anesthesie niet overleven of een infectie ontwikkelen binnen een week na de operatie. Eerder onderzoek heeft aangetoond dat een rijpingsperiode van 3 maanden zal resulteren in betrouwbare signaalversterking van deze constructen 42,45,48,49. Op dat moment of daarna kan chirurgische ...

Dit manuscript biedt een innovatieve methode voor het ontwikkelen van een biologische perifere zenuwinterface genaamd de Muscle Cuff Regenerative Peripheral Nerve Interface (MC-RPNI). Deze chirurgische constructie kan de bijbehorende perifere zenuw efferente signalen versterken om nauwkeurige detectie van motorische intentie en de potentiële controle van exoskeletapparaten te vergemakkelijken.

De spiermanchet regeneratieve perifere zenuwinterface voor de versterking van intacte perifere zenuwsignalen

Robotic exoskeletons have gained recent acclaim within the field of rehabilitative medicine as a promising modality for functional restoration for those ...

Fysiologische zenuwsignalen bevinden zich op het niveau van microvolts, wat veel te klein is om betrouwbaar vast te leggen met momenteel beschikbare elektroden. De MC-RPNI kan communiceren met intacte perifere zenuwen, waardoor de kleine signalen meer dan honderd keer worden versterkt om een betrouwbare en nauwkeurige detectie van motorische intenties mogelijk te maken. Het belangrijkste voordeel van deze techniek is de biologische aard ervan.Het kan op lange termijn communiceren met intacte perifere zenuwen zonder een schadelijk effect op de zenuw zelf of distally geïnnerveerde spierdoelen te veroorzaken. Aangedreven exoskeletapparaten die in staat zijn om de functie te herstellen voor mensen met extremiteitszwakte, worden zelden ten volle benut vanwege het onvermogen om motorische intentie betrouwbaar en nauwkeurig te detecteren. Vanwege de biologische zenuwsignaalversterkingsmogelijkheden is de spiermanchet RPNI het antwoord op deze tekortkomingen.Maak een longitudinale incisie langs het voorste aspect van de gewenste donorachterhoek, die zich uitstrekt van net boven de enkel tot net onder de knie met een scalpel van nummer 15. Ontleed het onderliggende onderhuidse weefsel met een scherpe irisschaar om de onderliggende spieren en distale pezen net proximaal aan het enkelgewricht bloot te leggen. Isoleer de EDL-spier en de distale pees van de omliggende spieren.Zorg voor isolatie van de juiste pees door beide tanden van een tang of irisschaar onder de distale pees net proximaal aan het enkelgewricht in te brengen. Open de tang of schaar om opwaartse druk uit te oefenen op de pees. Voer een distale tenotomie van de EDL-spier uit op enkelniveau met een scherpe irisschaar en ontleed de spier vrij van omliggende weefsels die proximaal naar zijn tendineuze oorsprong werken.Zodra de proximale pees is gevisualiseerd, voert u een proximale tenotomie uit met een scherpe irisschaar om het transplantaat te bevrijden, knipt u beide tendineuze uiteinden van het spiertransplantaat bij en snijdt u op de gewenste lengte met een scherpe irisschaar. Maak een longitudinale incisie over de gehele bijgesneden lengte aan één kant van het spiertransplantaat om de plaatsing van de zenuw in het spiertransplantaat te vergemakkelijken en contact van de zenuw met het endomysium te bieden. Plaats het voorbereide spiertransplantaat in een zoutoplossing bevochtigd gaasje om uitdroging van het weefsel te voorkomen.Markeer de chirurgische incisie, die zich uitstrekt van een lijn van ongeveer 5 millimeter van de ischiasinkeping tot het inferieure kniegewricht. Insnijden door de huid en onderhuidse weefsels langs de gemarkeerde incisielijn met een mesje nummer 15. Snijd voorzichtig door de onderliggende biceps femoreuze fascia en zorg ervoor dat u zich niet door de hele diepte van de spier uitstrekt, omdat de heupzenuw er net onder ligt.Ontleed vervolgens zorgvuldig door de biceps femoreuze spier met een stompe kleine schaar of een hemostat. Identificeer de gemeenschappelijke perineale of CP-zenuw en isoleer deze zorgvuldig van de omliggende zenuwen met een paar microtangen en microscharen. Verwijder elk omringend bindweefsel uit de middelste 2 centimeter van de zenuw en zorg ervoor dat de zenuw niet wordt verbrijzeld.Houd het proximale epineurium met microtang over het meest centrale deel van de vrijgekomen CP-zenuw en snijd onmiddellijk in het epineurium met een microdissectieschaar. Reis vervolgens distaal langs de zenuw om een epineuriaal venster te maken dat overeenkomt met de lengte van het spiertransplantaat en verwijder ongeveer 25% van het epineurium. Zorg ervoor dat u dit segment in één stuk verwijdert.Verwijder het spiertransplantaat uit het zoutoplossing bevochtigde gaas en plaats het onder het centrale deel van de CP-zenuw waar het epineuriale venster is ontstaan. Draai de zenuw 180 graden zodat het epineuriale venstergedeelte de intacte spier raakt en niet ten grondslag ligt aan de uiteindelijke hechtlijn. Hecht het CP-zenuwepidemie met een 8-O nylon hechting proximaal en distaal aan het spiertransplantaat in de groef met eenvoudige onderbroken hechtingen om epineurium aan endomysium te bevestigen.Omtrek wikkel de randen in het spiertransplantaat rond de nu beveiligde zenuw en hechting op hun plaats met onderbroken 8-O nylon steken. Zodra hemostase is bereikt, sluit u de biceps femoreuze fascia over het construct met 5-O chromische hechting op lopende wijze. Sluit de bovenliggende huid met een 4-O chromische hechting op een lopende manier.H&E-kleuring van een MC-RPNI-doorsnede toont de spier en de zenuw. Dwarsdoorsnede van de ipsilaterale dissilaterale geïnnerveerde EDL-spier bij een rat met een MC-RPNI toonde levensvatbaar zenuw- en spierweefsel zonder significante fibrose of littekens in vergelijking met de doorsnede bij een controlerat zonder een MC-RPNI. Immunohistochemie van een longitudinaal gedeelte van een MC-RPNI-monster toont kernen blauw gekleurd met DAPI en zenuwweefsel groen gekleurd.Een close-up van een andere succesvolle MC-RPNI toont meerdere geïnnerveerde neuromusculaire juncties gekleurd met alfa-bungarotoxine in rood voor acetylcholinereceptoren. Elektrofysiologische tests uitgevoerd bij de MC-RPNI-constructies toonden aan dat de gegenereerde samengestelde spieractiepotentialen of CMAP-golfvormen qua uiterlijk vergelijkbaar zijn met inheemse spieren, wat verder ondersteunt dat ze opnieuw zijn geïnnerveerd door hun ingesloten zenuw. CMAP's gegenereerd door fysiologische EDL-spieren na proximale CP-zenuwstimulatie variëren meestal van 20 tot 30 millivolt.EDL CMAP's bij ratten met geïmplanteerde MC-RPNI's zijn niet significant verschillend, gemiddeld 24,27 millivolt plus of min 1,34 millivolt. Het is cruciaal om te oefenen met het maken van een epineuriaal venster voordat u het in een onderzoek gebruikt. Het epineurium is een zeer dunne, fragiele bedekking van de zenuw en het beschadigen van de onderliggende zenuwvezels kan de resultaten op zeer onvoorspelbare manieren veranderen.Deze constructies worden na 3 maanden als volwassen beschouwd bij ratten en hun aanpassingsmogelijkheden zijn eindeloos. Na rijping kan de MC-RPNI worden gebruikt bij fysiologische beoordelingen, elektrofysiologische analyse en spierkrachttesten om er maar een paar te noemen. End-to-side neurorrhaphy is een relatief nieuwer concept binnen de chirurgie waarbij een getranseceerde zenuw wordt gecoapeerd naar een intacte perifere zenuw die collateral induceert dat uit de intacte zenuw in het getransplanteerde segment ontspruit.We hebben ontdekt dat dit fenomeen ook voorkomt in spieren die rechtstreeks op de intacte zenuw zijn geënt en de mogelijkheden voor verder onderzoek zijn fascinerend.

the-muscle-cuff-regenerative-peripheral-nerve-interface-for

Research

JoVE Journal

Bioengineering

Bio-engineering

Traumatisch letsel aan het ruggenmerg verstoort de communicatie met de hersenen. Voor het herstellen van verloren connectiviteit we gebruik maken van een perifere zenuw graft om een ​​substraat te bieden voor het regenereren van vezels in combinatie met neurotrofe factoren en matrix-modulerende remmende enzymen om moleculen te verwijderen om lange afstand groei te bevorderen.

De combinatie van Peripheral Nerve enten en Matrix Modulation aan de benadeelde Rat Spinal Cord Repair

Source: Svientek, S. R., et al. Fabrication of the Composite Regenerative Peripheral Nerve Interface (C-RPNI) in the Adult Rat. J. Vis. Exp. (2020).This video demonstrates the surgical construction of a composite regenerative peripheral nerve interface (C-RPNI) in a rat model of peripheral nerve injury. The procedure involves attaching a transected peroneal nerve to a muscle graft and overlaying it with a dermal skin graft to promote nerve regeneration. Over time, motor and sensory neurons...

Construction of a Composite Regenerative Peripheral Nerve Interface in a Rat Model of Nerve Injury

This video demonstrates the fabrication of a flat nerve-wrapping electrode. It showcases the integration of shielding metal and precise polymer layering for an effective recording surface. The process involves attaching, curing, trimming, and cutting polymer layers for optimal nerve contact and accurate signal recording.

Fabrication of Flat-Interface Nerve Electrodes for Recording Neural Activity

Dit artikel geeft een gedetailleerde beschrijving van het fabricageproces van een high-density contact flat-interface zenuw elektrode (FINE). Deze elektrode is geoptimaliseerd voor het opnemen en stimulerende neurale activiteit selectief in perifere zenuwen.

Fabrication van High-Density Contact, Flatscreen-Interface Nerve Elektroden voor het opnemen en Stimulatie Applications

Hier gepresenteerd is een protocol voor de productie van een implanteerbaar systeem voor in vivo chronologische registratie van opgeroepen en spontane elektromyografische potentialen. Het systeem wordt toegepast op het onderzoek naar reinnervation van laryngeale spieren na zenuwletsel.

Een implanteerbaar systeem voor chronische in vivo elektromyografie

Het volgende manuscript beschrijft een nieuwe methode voor het ontwikkelen van een biologisch, gesloten lus neurale feedback systeem genoemd de samengestelde regeneratieve perifere zenuwinterface (C-RPNI). Deze constructie heeft de mogelijkheid om te integreren met perifere zenuwen om efferent motorsignalen te versterken en tegelijkertijd afferente zintuiglijke feedback te geven.

Fabricage van de Composite Regeneratieve Perifere Nerve Interface (C-RPNI) in de Adult Rat

Bestaande benaderingen voor de bouw van chronisch implanteerbare perifere zenuwboektroden voor gebruik bij kleine knaagdieren vereisen vaak gespecialiseerde apparatuur en/of hoog opgeleid personeel. In dit protocol demonstreren we een eenvoudige, goedkope aanpak voor het fabriceren van chronisch implanteerbare manchetelektrodes en tonen we hun effectiviteit voor nervusstimulatie (VNS) bij ratten.

Voorbereiding van perifere zenuwstimulatie elektroden voor chronische implantatie bij ratten

Dit is een protocol voor de chirurgische implantatie en werking van een draadloos aangedreven interface voor perifere zenuwen. We demonstreren het nut van deze aanpak met voorbeelden van zenuwstimulatoren die op de heupzenuw of de middenrifzenuw van de rat worden geplaatst.

Implantatie en controle van draadloze, batterijloze systemen voor perifere zenuwinterfacing

Dit protocol beschrijft de voorbereiding van het hele heupzenuwweefsel van ratten voor ex vivo elektrofysiologische stimulatie en registratie in een milieugereguleerd, tweecompartimenten, doordrenkt zoutoplossingsbad.

Voorbereiding van de heupzenuw van de rat voor ex vivo neurofysiologie

Hier beschrijven we de chirurgische procedure om regeneratieve perifere zenuwinterface (RPNI)-chirurgie uit te voeren voor de behandeling van neuropathische pijn na amputatie in de context van een internationale, gerandomiseerde gecontroleerde studie (RCT) (ClinicalTrials.gov, NCT05009394). De RCT vergelijkt RPNI met twee andere chirurgische technieken, namelijk gerichte spierreïnnervatie (TMR) en neuroomexcisie in combinatie met intramusculaire transpositie.

Regeneratieve perifere zenuwinterface: chirurgisch protocol voor een gerandomiseerde gecontroleerde studie bij pijn na amputatie

Leer de spiermanchet regeneratieve perifere zenuwinterface (MC-RPNI) voor het versterken van zenuwsignalen in neuroprothetisch onderzoek. Deze biologische methode versterkt microvolt-signalen honderdvoudig voor betrouwbare motorintentiedetectie.

De spiermanchet regeneratieve perifere zenuwinterface voor de versterking van intacte perifere zenuwsignalen

Meer video's verkennen