Zaprojektowaliśmy procedurę, w której utrwalone formaldehydem ludzkie zwłoki są używane do pomocy neurochirurgom w szkoleniu do wszczepiania układów mikroelektrod do kory nowej ludzkiego mózgu.
Subskrypcja JoVE jest wymagana do oglądania tego materiału. Zaloguj się lub rozpocznij bezpłatny okres próbny.
Artykuł metodologiczny
Zaprojektowaliśmy procedurę, w której utrwalone formaldehydem ludzkie zwłoki są używane do pomocy neurochirurgom w szkoleniu do wszczepiania układów mikroelektrod do kory nowej ludzkiego mózgu.
Ten protokół opisuje procedurę, która ma pomóc chirurgom w szkoleniu do wszczepienia układów mikroelektrod do kory nowej ludzkiego mózgu. Niedawny postęp technologiczny umożliwił wytworzenie układów mikroelektrod, które umożliwiają rejestrowanie aktywności wielu pojedynczych neuronów w korze nowej ludzkiego mózgu. Matryce te mają potencjał, aby zapewnić unikalny wgląd w neuronalne korelaty funkcji mózgu w zdrowiu i chorobie. Co więcej, identyfikacja i dekodowanie wolicjonalnej aktywności neuronalnej otwiera możliwość ustanowienia interfejsów mózg-komputer, a tym samym może pomóc w przywróceniu utraconych funkcji neurologicznych. Implantacja układów mikroelektrod kory nowej jest zabiegiem inwazyjnym wymagającym kraniotomii nadcentymetrowej i odsłonięcia powierzchni kory mózgowej; W związku z tym zabieg musi być wykonany przez odpowiednio przeszkolonego neurochirurga. Aby zapewnić możliwość szkolenia chirurgicznego, zaprojektowaliśmy zabieg oparty na modelu zwłok ludzkich. Użycie utrwalonych formaldehydem zwłok ludzkich omija praktyczne, etyczne i finansowe trudności związane z praktyką chirurgiczną na zwierzętach (zwłaszcza naczelnych), zachowując jednocześnie makroskopową strukturę głowy, czaszki, opon mózgowych i powierzchni mózgu oraz umożliwiając realistyczne pozycjonowanie i oprzyrządowanie przypominające salę operacyjną. Co więcej, wykorzystanie ludzkich zwłok jest bliższe codziennej praktyce klinicznej niż jakikolwiek model inny niż ludzki. Głównymi wadami symulacji zwłok jest brak pulsacji mózgowej oraz krążenia krwi i płynu mózgowo-rdzeniowego. Sugerujemy, że model ludzkich zwłok utrwalony formaldehydem jest odpowiednim, praktycznym i opłacalnym podejściem do zapewnienia odpowiedniego szkolenia chirurgicznego przed wszczepieniem układów mikroelektrod do żywej ludzkiej kory nowej.
Ostatnie lata przyniosły rozwój technologicznych rozwiązań dla wyzwania rejestrowania aktywności wielu pojedynczych neuronów w żywym mózgu1,2,3. Matryce mikroelektrod na bazie krzemu działają podobnie do konwencjonalnych mikroelektrod drucianych pod względem właściwości sygnału i mogą rejestrować od dziesiątek do setek neuronów w małym fragmencie tkanki mózgowej 4,5,6,7. Układy mikroelektrod pozwoliły naukowcom ustalić związek między aktywnością neuronalną w pierwotnej korze ruchowej małp a ruchami ramion8, co z kolei przyczyniło się do rozwoju interfejsów mózg-komputer (BCI)9.
Układy mikroelektrod były używane u ludzi w dwóch sytuacjach: jako przewlekłe implanty do kontroli BCI i jako półprzewlekłe implanty do badania aktywności poszczególnych neuronów u pacjentów cierpiących na epilepsję. Przewlekłe implanty, ukierunkowane na funkcjonalną reprezentację ręki w pierwotnej korze ruchowej, pozwoliły pacjentom cierpiącym na tetraplegię kontrolować ruch ramienia robota lub kursora komputerowego10,11,12,13. Implanty półprzewlekłe, wszczepiane razem z elektrodami elektrokortykografii podtwardówkowej (ECOG) u pacjentów z padaczką lekooporną, którzy są kandydatami do operacji epilepsji14, umożliwiają zapisy pojedynczych jednostek przed, w trakcie i po napadach i zaczęły rzucać światło na aktywność pojedynczych neuronów podczas i pomiędzy napadami padaczkowymi15,16,17,18,19. Układy mikroelektrod mogą znacznie poprawić nasze zrozumienie funkcjonowania mózgu, ustanawiając związek między aktywnością neuronów z jednej strony, a percepcją, ruchami i myślami ludzi, zarówno w zdrowiu, jak i chorobie, z drugiej20,21.
Matryce mikroelektrod na bazie krzemu są teraz dostępne na rynku, a ich stosowanie u ludzi zostało zatwierdzone przez organy regulacyjne w USA we wskazaniu do leczenia padaczki półprzewlekłej. Jednak urządzenia te są inwazyjne i muszą być wprowadzone do mózgu. Negatywne konsekwencje niewłaściwej techniki wprowadzania, poza niezdolnością urządzenia do rejestrowania aktywności neuronalnej, obejmują krwotok mózgowy i infekcję, z możliwością długotrwałej lub trwałej dysfunkcji neurologicznej. Chociaż częstość powikłań implantacji matrycy mikroelektrod jest obecnie nieznana, częstość występowania potencjalnie poważnych powikłań podczas implantacji makroelektrod elektroencefalografii wewnątrzczaszkowej (EEG) wynosi 1-5%22,23. W związku z tym prawidłowa implantacja układów mikroelektrod wymaga zarówno rozległych umiejętności neurochirurgicznych, jak i szkolenia specyficznego dla zabiegu.
Metody dostępne dla chirurgów do doskonalenia swoich umiejętności z układami mikroelektrod w bezpiecznym środowisku obejmują ssaki niebędące ludźmi i ludzkie zwłoki. Idealny model treningowy wiernie odwzorowywałby rozmiar i grubość ludzkiej czaszki; wytrzymałość i rozgałęzienia naczyniowe opony twardej; wzorzec gyryfikacji, konsystencja i pulsacja ludzkiego mózgu; obecność krążącej krwi i płynu mózgowo-rdzeniowego; oraz ogólne umiejscowienie obiektu w środowisku podobnym do sali operacyjnej (OR). W związku z tym modele zwierzęce muszą mieć wystarczające rozmiary, aby zapewnić chirurgom znaczące doświadczenie. Najbliżej tego typu są duże ssaki naczelne, ale ich wykorzystanie do szkolenia chirurgicznego jest nie do utrzymania zarówno z etycznego punktu widzenia, jak i dlatego, że są drogie. Gryzonie nie są brane pod uwagę ze względu na ich niewielkie rozmiary; używanie nawet kotów lub królików oznacza znaczne odejście od środowiska podobnego do sali operacyjnej.
Ludzkie zwłoki stanowią atrakcyjną alternatywę. Do ich zalet należy realistyczny rozmiar i kształt głowy i mózgu oraz możliwość zorganizowania szkolenia chirurgicznego w środowisku podobnym do sali operacyjnej. Najbardziej oczywistymi odstępstwami od realistycznej sytuacji są brak pulsacji mózgowych i krwawień oraz modyfikacje w wyglądzie i konsystencji tkanek ciała, które są specyficzne dla techniki stosowanej do konserwacji zwłok24. Świeżo mrożone zwłoki zachowują do pewnego stopnia konsystencję i elastyczność wielu narządów i tkanek, ale mają kilka wad: zaczynają się rozkładać, gdy tylko zaczyna się rozmrażanie, tak że mózg staje się zbyt zdegradowany, aby wprowadzenie układu mikroelektrod mogło być wykonane realistycznie, i są stosunkowo rzadkim i drogim zasobem. Z drugiej strony zwłoki utrwalone formaldehydem są tańsze i bardziej dostępne oraz znacznie trwalsze, kosztem stwardniałej konsystencji tkanki.
Tutaj ustalamy procedurę wykorzystującą model ludzkich zwłok utrwalonych formaldehydem, aby zapewnić szkolenie neurochirurgiczne w zakresie implantacji układu mikroelektrod kory nowej. Nasze podejście pozwala na realistyczne pozycjonowanie i oprzyrządowanie podobne do OR; wykonanie kraniotomii i durotomii oraz odsłonięcie powierzchni kory nowej; przymocowanie cokołu elektrody do kości czaszki sąsiadującej z kraniotomią; i wprowadzenie układu mikroelektrod do kory nowej za pomocą impaktora pneumatycznego25. Co najważniejsze, umożliwia chirurgom ćwiczenie precyzyjnego ustawiania matrycy mikroelektrod (która jest połączona z cokołem elektrody za pomocą wiązki indywidualnie izolowanych złotych drutów) równolegle do powierzchni kory nowej26. Nasz protokół wiernie odwzorowuje wskazanie implantacji matrycy mikroelektrod wraz z implantacją ECOG u pacjentów, którzy są kandydatami do operacji padaczki. Na szczegóły zabiegu implantacji znaczący wpływ ma dokładny rodzaj układu mikroelektrod; tutaj opisujemy procedurę dla macierzy, która niedawno otrzymała zgodę organów regulacyjnych do stosowania u ludzi w USA. Tak zwana matryca Utah składa się z siatki 100 mikroelektrod o wymiarach 4x4 mm; przezskórny cokół, który jest przymocowany do zewnętrznego stołu czaszki; i wiązka przewodów łącząca te dwa.
Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.
Ludzkie zwłoki użyte w tej pracy zostały dostarczone w ramach dawstwa ciał na edukację medyczną. Świadoma zgoda na oddanie ciała została uzyskana na piśmie za życia dawcy. Zgodnie z prawem federalnym i kantonalnym nie było konieczne przeprowadzanie kontroli przez komisję etyczną.
Uwaga: Ten protokół zakłada, że osoby wykonujące operację praktykującą są neurochirurgami z przeszkoleniem i doświadczeniem w standardowych procedurach neurochirurgicznych, w tym ustawianiu pacjenta i stabilizacji głowy, kraniotomii i durotomii oraz szyciu. Oprócz narzędzi i sprzętu specyficznych dla układu mikroelektrod stosuje się standardowe narzędzia i sprzęt neurochirurgiczny.
1. Wybór zwłok i ustawienie sali operacyjnej
2. Odsłonięcie powierzchni kory nowej
3. Mocowanie cokołu elektrody
4. Pozycjonowanie i wstawianie układu mikroelektrod
5. Umiejscowienie podtwardówkowej siatki ECOG
Uwaga: Ten krok jest opcjonalny.
6. Repozycja i zamknięcie opony twardej, płata kostnego i płata skóry
Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.
Nasz protokół wykorzystuje model ludzkiego zwłok utrwalonych formaldehydem, aby umożliwić chirurgom przećwiczenie procedury chirurgicznego wszczepiania macierzy mikroelektrod do neocortex mózgowego w realistycznym środowisku przypominającym salę operacyjną. Możliwość wykonania pośmiertnego obrazowania neurologicznego, takiego jak tomografia komputerowa (CT) głowy, pozwoli potwierdzić brak istotnych zmian wewnątrzczaszkowych (Rycina 1A) i może pomóc w wyborze miejsca implantacji. Praca na cał...
Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.
Model ludzkich zwłok utrwalonych formaldehydem i opisany tutaj protokół chirurgiczny odtwarzają procedurę chirurgiczną polegającą na wszczepianiu układów mikroelektrod do ludzkiej kory nowej mózgu. Każdy etap procedury, w tym ustawienie układu mikroelektrod i jego wprowadzenie za pomocą podajnika pneumatycznego, przebiega prawie tak samo, jak u prawdziwego pacjenta, z wyjątkiem tego, że nie ma pulsacji i krążenia mózgowego. Krytycznymi etapami protokołu są wyrównanie układu mikroelektrod z powierzchnią kory nowej i jej w...
Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.
Autorzy nie mają nic do ujawnienia.
Autorzy są wdzięczni dr Robowi Franklinowi (Blackrock Microsystems), prof. Margitcie Seeck (Division of Neurology, Geneva University Hospitals, Genewa, Szwajcaria), dr Andrei Bartoli i prof. Karlowi Schallerowi (Division of Neurosurgery, Geneva University Hospitals, Genewa, Szwajcaria) oraz Panom Florentowi Burdinowi i Prof. Johnowi P. Donoghue (Wyss Center for Bio and Neuroengineering, Genewa, Szwajcaria) za ich wsparcie w przygotowaniu obecnej pracy.
Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.
| Nazwa | Firma | Numer katalogowy | Komentarze |
|---|---|---|---|
| Zacisk czaszki Mayfield | Integra LifeSciences, Cincinnati, OH | A1059 | |
| System Midas Rex MR7 do kraniotomii | Medtronic, Minneapolis, MN | EC300 | |
| Instrumenty chirurgiczne Sklar, West Chester, PA | 22-2742 | ||
| Wkręty samogwintujące do kości | OrthoMed Inc., Tigard, OR | OM SYN211806 | |
| Matryca mikroelektrod i cokół | Blackrock Microsystems, Salt Lake City, UT | LB-0612 | Makiety są dostępne u producenta na życzenie |
| Udar pneumatyczny | Blackrock Microsystems, Salt Lake City, UT | LB-0088 | |
| 64-kanałowa siatka elektrokortykograficzna | Ad-Tech Medical Instrument Corporation, Racine, | WI FG64C-SP10X-0C6 | Opcjonalnie |
Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.