Subdurale zachte elektrocorticografie (ECoG) array-implantatie en langdurige corticale opname bij minivarkens
31 maart 2023
Hier presenteren we een methode voor de prestatie- en veiligheidsbeoordeling op lange termijn van zachte subdurale elektrode-arrays in een minivarkensmodel, waarbij chirurgische methoden en hulpmiddelen, postoperatieve magnetische resonantiebeeldvorming, elektrofysiologie van de auditieve cortex, elektrochemische eigenschappen van het implantaat en postmortale immunochemie worden beschreven.
Dit model kan een standaard worden voor veiligheids- en werkzaamheidsvalidatie voor chronische corticale apparaten in termen van biocompatibiliteit, resolutie en signaalkwaliteit. Onze procedure beschrijft een reproduceerbare en schaalbare methode om de veiligheid en werkzaamheid van het apparaat op lange termijn op te volgen. Dit omvat neurale monitoring in de loop van de tijd, evenals in vivo en ex vivo beeldvorming.
Onze methode zal helpen bij de ontwikkeling van sensorische en motorische corticale neuroprotheses. Het is een hulpmiddel om de grootschalige activiteit van corticale netwerken te begrijpen. Deze methode kan in de fundamentele neurowetenschappen worden gebruikt om functionele connectiviteit over verschillende corticale gebieden te onderzoeken.
Kan ook worden toegepast op andere grote diermodellen. De chirurgische aanpak vereist enige oefening, die eerst kan worden verworven op kadavers of acute experimenten. De metingen zouden dan vrij eenvoudig moeten zijn.
Snijd om te beginnen de huid van het verdoofde dier in met een scalpelmes langs de middellijn. Scheid de spier en het botvlies van het bot met behulp van een raspeermiddel en plaats spreiders voor optimale toegang. Om de craniotomie uit te voeren, boort u de omtrek met een botboor met een ronde snijboor, rekening houdend met de dikte van de schedel zoals gemeten op de röntgenfoto.
Spoel de boorlocatie met een zoutoplossing om oververhitting van het bot te voorkomen. Boor de omtrek voorzichtig homogeen totdat u de dura mater bereikt. Bij de eerste doorbraak beëindigt u het boren van de omtrek totdat deze voldoende is verdund om bijna door te breken.
Gebruik vervolgens een platte spatel om de botflap in één stuk los te breken met behulp van de craniotomierand als hefboom. Om een durotomie uit te voeren, gebruikt u met behulp van de naald uit een hechtset van zes oh voorzichtig de dura mater aan het voorste of achterste uiteinde van de craniotomie en tilt u deze op, halverwege tussen de mediale en laterale zijde, en maakt u het begin van een incisie met het steekmes. Gebruik vervolgens een kleine platte spatel die in de subdurale ruimte wordt gestoken en fungeert als een snijbasis om de cortex te beschermen.
Creëer een anteroposterieure spleet in de dura mater door gelijktijdig met beide gereedschappen naar voren te gaan. Zorg ervoor dat de gleuf iets groter is dan de breedte van het implantaat. Plaats het implantaat boven de dura mater-spleet en breng het apparaat met een kleine pincet subduraal in door het achtereenvolgens aan elke rand te schuiven.
Houd het uiteinde van het voetstuk van het apparaat voorzichtig vast en ga met het implantaat mee om geen spanning te creëren die het inbrengen belemmert. Stop het inbrengen wanneer de verbindingsrand zich bovenop de spleet bevindt. Om het implantaat op zijn plaats te houden, plaatst u een titanium brug over de kabel na de rand van de craniotomie of in de verankeringsvleugels en zet u deze vast met een of twee titanium schroeven met behulp van de juiste schroevendraaier.
Hecht vervolgens de dura mater voorzichtig rond de implantaatkabel. Breng met behulp van een drie oh resorbeerbare hechtdraad en een kleine naaldhouder de twee dura mater-randen zoveel mogelijk naar elkaar toe zonder met de hechtdraad door het dunne membraan te scheuren. Om de plaatsing van de botflap uit te voeren, bevestigt u een titanium brug op het voorste en achterste deel van elke botflap met behulp van een titanium schroef.
Schroef het uiteinde van de titanium bruggen op de schedel. Plan vervolgens de oriëntatie van de voetplaat om ervoor te zorgen dat alle poten in de schedel kunnen worden geschroefd. Zet vervolgens de voetplaat vast door de titanium schroeven van de voetplaat vast te draaien totdat deze stevig op zijn plaats zit.
Schroef vervolgens de sokkel op de voetplaat. Maak onderhuidse hechtingen met een niet-resorbeerbare hechtdraad van vier oh met hechtingen die drie millimeter uit elkaar staan. Begin weg van het voetstuk en beweeg er aan beide zijden van de incisie naartoe.
Sluit vervolgens de huidlaag door de huid te hechten met een niet-resorbeerbare hechtdraad van zes oh. Met hechtingen vijf millimeter uit elkaar. Begin weg van het voetstuk en beweeg er aan beide zijden van de incisie naartoe.
Zorg voor een goede weefselhechting tussen de twee huidflappen en in de buurt van de rand van het voetstuk om een holte te voorkomen. Nadat u de draadloze hoofdtrap op het dier hebt aangesloten, neemt u de wakkere hersensignalen op door het dier vast te houden of af te leiden door het te voeren met lekkernijen. Zorg ervoor dat u de amplifier antenne en de externe luidsprekers dicht bij de kooi van het varken tijdens het opnemen van de signalen.
Basislijnactiviteit zonder geluidsstimuli en auditief opgewekte potentialen als reactie op een 800 hertz toonburst-stimulatie kunnen in kaart worden gebracht over de elektrode-array. De auditieve opgewekte potentiaal in een enkel elektrodekanaal wordt in de loop van de tijd weergegeven met pijlen die de aan"respons markeren en de basislijnactiviteit wordt weergegeven als vergelijking. In vivo beeldvorming werd intraoperatief en postoperatief uitgevoerd om de toestand van de hersenen en de positionering van het implantaat te beoordelen.
Intraoperatieve vlak röntgenfoto geverifieerde plaatsing van implantaten, en geen vouwen zoals waargenomen door de plaatsing van de radiopake marker. Het oppervlak van de hersenen is intact, zoals te zien is in de postoperatieve MRI. Over het algemeen is met dit implantaat- en voetstuksysteem beeldvorming van de hele hersenen mogelijk in de loop van de implantatieperiode om anatomische structuren of de aanwezigheid van vloeistof en bloed rond het implantaat te zien.
Bovendien worden klinische elektroden in dit onderzoek gebruikt als vergelijkingsapparatuur, maar deze kunnen niet in beeld worden gebracht in de MRI vanwege verwarmings- en veiligheidsproblemen en vereisen CT-scans. De gepresenteerde pijplijn maakt extractie en doorsnede van de hele hersenen mogelijk om hele hersenhelften in beeld te brengen. De beeldvorming van het hele weefselgedeelte toonde een duidelijke neuronlaag.
De cellen zijn duidelijk gedefinieerd op confocale beeldvorming bij 20x en maken fijn onderzoek van ontstekingsmarkers mogelijk. Elektrochemische karakterisering van de apparaten werd gebruikt om de impedantiemodulus en fase in vitro te extraheren, die in de loop van de tijd werd gevolgd met één kilohertz gedurende de zes maanden van implantatie. Het is van cruciaal belang om de leeftijd en de grootte van het dier zorgvuldig te selecteren om te voorkomen dat de sinussen tijdens de operatie worden geopend.
Dit zou het chronische experiment in gevaar brengen. Het is belangrijk om bloedingen te voorkomen bij het openen van de dura mater of het inbrengen van de implantaten. Dit voorkomt verdere complicaties en ontstekingsreacties.
Zodra dit model op zijn plaats is, kan het worden gebruikt om zich vrij gedragende elektrofysiologie uit te voeren bij minivarkens en activiteit van corticale interessegebieden vast te leggen. Deze methode kan worden toegepast bij het verzamelen van bioveiligheidsgegevens voor indiening van een klinische proef bij het ontwikkelen van nieuwe neuroprotheses die zullen worden vertaald naar mensen.
Overzicht
Deze studie presenteert een methode voor het beoordelen van de langetermijnprestaties en veiligheid van zachte subdurale elektrodenarrays in een minivarkensmodel. Het beschrijft de chirurgische aanpak, postoperatieve beeldvorming en de elektrofysiologische en elektrochemische evaluatie van het implantaat.
Belangrijke studieonderdelen
Wetenschapsgebied
- Neurowetenschappen
- Biomedische Technologie
- Elektrofysiologie
Achtergrond
- De behoefte aan chronische corticale apparaten in neurowetenschappelijk onderzoek.
- Belang van biocompatibiliteit en signaalkwaliteit in implantaten.
- Uitdagingen bij langdurige monitoring van neurale apparaten.
- Gebruik van grote diermodellen voor apparaattesten.
Doel van de studie
- Om een reproduceerbare methode te vestigen voor de beoordeling van de langetermijnveiligheid en werkzaamheid van corticale apparaten.
- Om neurale monitoring en beeldvorming over tijd te vergemakkelijken.
- Om bij te dragen aan de ontwikkeling van neuroprothesen voor sensorische en motorische functies.
Gebruikte methoden
- Chirurgische implantatie van zachte subdurale elektrodenarrays in minivarkens.
- Postoperatieve magnetische resonantiebeeldvorming (MRI) voor implantaatbeurteilung.
- Elektrofysiologische opnames van auditieve cortexactiviteit.
- Elektrochemische karakterisering van de implantaten in de loop van de tijd.
Belangrijkste resultaten
- Succesvolle implantatie en monitoring van hersensignalen in de loop van de tijd.
- In vivo beeldvorming bevestigde de juiste implantaatplaatsing en hersenintegriteit.
- De elektrochemische eigenschappen van de apparaten waren stabiel gedurende zes maanden.
- Duidelijke identificatie van neuronale lagen en inflammatoire markers via beeldvorming.
Conclusies
- Deze methode biedt een robuust kader voor het evalueren van chronische corticale apparaten.
- Het versterkt het begrip van grootschalige corticale netwerkactiviteit.
- De aanpak kan worden aangepast voor andere grote diermodellen.
Veelgestelde vragen
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.
