Implantacja matrycy podtwardówkowej miękkiej elektrokortykografii (ECoG) i długotrwała rejestracja kory mózgowej u świnek miniaturowych
March 31st, 2023
Tutaj prezentujemy metodę długoterminowej oceny wydajności i bezpieczeństwa miękkich matryc elektrod podtwardówkowych w modelu minipig, opisując metodę i narzędzia chirurgiczne, pooperacyjny rezonans magnetyczny, elektrofizjologię kory słuchowej, właściwości elektrochemiczne implantu oraz immunochemię pośmiertną.
Model ten może stać się standardem walidacji bezpieczeństwa i skuteczności przewlekle chorych na korę mózgową pod względem biokompatybilności, rozdzielczości i jakości sygnału. Nasza procedura opisuje powtarzalną i skalowalną metodę przeprowadzania długoterminowej obserwacji bezpieczeństwa i skuteczności urządzenia. Obejmuje to monitorowanie neuronalne w czasie, a także obrazowanie in vivo i ex vivo.
Nasza metoda pomoże w opracowaniu neuroprotezy czuciowej i ruchowej kory mózgowej. Jest to narzędzie do zrozumienia aktywności sieci korowych na dużą skalę. Metoda ta może być stosowana w neurobiologii podstawowej do badania funkcjonalnej łączności w różnych obszarach kory mózgowej.
Może być również stosowany do innych dużych modeli zwierzęcych. Podejście chirurgiczne wymaga pewnej wprawy, którą można najpierw nabyć na zwłokach lub ostrych eksperymentach. Pomiary powinny być wtedy dość proste.
Na początek naciąć skórę znieczulonego zwierzęcia nożem skalpela wzdłuż linii środkowej. Oddziel mięsień i okostną od kości za pomocą tarnika i umieść rozsiewacze, aby uzyskać optymalny dostęp. Aby wykonać kraniotomię, należy wywiercić kontur za pomocą wiertła do kości z okrągłym wiertłem tnącym, biorąc pod uwagę grubość czaszki zmierzoną na zdjęciu rentgenowskim.
Miejsce wiercenia należy przepłukać roztworem soli, aby uniknąć przegrzania kości. Ostrożnie wywierć kontur jednorodnie, aż dotrze do opony twardej. Przy pierwszym przebiciu zakończ wiercenie konturu, aż stanie się wystarczająco cienki, aby prawie się przebić.
Następnie użyj płaskiej szpatułki, aby odłamać płat kostny w jednym kawałku, używając krawędzi kraniotomii jako dźwigni. Aby wykonać durotomię, za pomocą igły z zestawu do szwów sześciostopniowych, ostrożnie przekłuj i unieś oponę twardą na przednim lub tylnym końcu kraniotomii, w połowie odległości między stroną przyśrodkową a boczną, i utwórz początek nacięcia nożem kłującym. Następnie za pomocą małej płaskiej szpatułki włożonej w przestrzeń podtwardówkową, działającej jako podstawa tnąca w celu ochrony kory.
Utwórz szczelinę przednio-tylną w oponie twardej, posuwając się jednocześnie obydwoma narzędziami. Upewnij się, że szczelina jest nieco większa niż szerokość implantu. Umieść implant nad szczeliną opony twardej i za pomocą małych kleszczyków wsuń poddwojowo urządzenie, przesuwając je kolejno po każdej krawędzi.
Ostrożnie przytrzymaj cokół urządzenia i przesuwaj się wraz z implantem, aby nie wytworzyć napięcia utrudniającego wprowadzenie. Zatrzymaj wkładanie, gdy krawędź łącznika znajduje się na górze szczeliny. Aby zamocować implant na miejscu, umieść tytanowy most na za krawędzią kraniotomii lub w skrzydłach kotwiących i zabezpiecz go jedną lub dwiema tytanowymi za pomocą odpowiedniego śrubokręta.
Następnie ostrożnie zszyj oponę twardą wokół implantu. Używając trzech ochów wchłanialnego szwu i małego uchwytu na igłę, zbliż dwie krawędzie opony twardej tak bardzo, jak to możliwe, bez rozrywania cienkiej membrany drutem do szycia. Aby wykonać umieszczenie płata kostnego, przymocuj tytanowy most do przedniej i tylnej części każdego płata kostnego za pomocą tytanowej.
Przykręć koniec tytanowych mostków do czaszki. Następnie zaplanuj orientację podnóżka, aby upewnić się, że wszystkie nogi można przykręcić do czaszki. Następnie zabezpiecz podnóżek, wkręcając tytanowe podnóżka, aż zostanie mocno osadzony.
Następnie przykręć cokół do podnóżka. Wykonaj szwy podskórne za pomocą czterech niewchłanialnych drutów do szwów z szwami oddalonymi od siebie o trzy milimetry. Zacznij od cokołu, przesuwając się w jego kierunku po obu stronach nacięcia.
Następnie zamknij warstwę skórną, zszywając skórę za pomocą niewchłanialnego drutu do szwów o grubości sześciu oh. Ze szwami oddalonymi od siebie o pięć milimetrów. Zacznij od cokołu, przesuwając się w jego kierunku po obu stronach nacięcia.
Należy zwrócić uwagę, aby uzyskać dobre przyleganie tkanek między dwoma płatami skóry i w pobliżu krawędzi cokołu, aby uniknąć pustej przestrzeni. Po podłączeniu bezprzewodowego stopnia głowy do zwierzęcia osiągniętego poprzez trzymanie zwierzęcia lub odwracanie jego uwagi poprzez karmienie smakołykami, nagraj sygnały przebudzonego mózgu. Upewnij się, że podczas nagrywania sygnałów umieścisz amplifier antena i głośniki zewnętrzne blisko klatki świni
.Podstawowa aktywność bez bodźców dźwiękowych i słuchowych potencjałów wywołanych w odpowiedzi na stymulację impulsem tonów o częstotliwości 800 Hz może być odwzorowana na matrycy elektrod. Słuchowy potencjał wywołany w pojedynczym kanale elektrody jest pokazany w czasie za pomocą strzałek oznaczających odpowiedź włączenia, a aktywność wyjściowa jest pokazana jako porównanie. Obrazowanie in vivo wykonano śródoperacyjnie i pooperacyjnie w celu oceny stanu mózgu i umiejscowienia implantu.
Śródoperacyjne prześwietlenie rentgenowskie potwierdziło umieszczenie implantu i brak fałdowania, co obserwuje się po umieszczeniu markera nieprzepuszczającego promieni rentgenowskich. Powierzchnia mózgu jest nienaruszona, co można zaobserwować w pooperacyjnym rezonansie magnetycznym. Ogólnie rzecz biorąc, dzięki temu systemowi implantów i cokołów możliwe jest obrazowanie całego mózgu w trakcie okresu implantacji, aby zobaczyć struktury anatomiczne lub obecność płynu i krwi wokół implantu.
Ponadto elektrody kliniczne są używane jako komparatory w tym badaniu, ale nie można ich zobrazować w rezonansie magnetycznym ze względu na ogrzewanie i obawy dotyczące bezpieczeństwa oraz wymagają skanów CT. Prezentowany rurociąg umożliwia ekstrakcję i sekcję całego mózgu w celu zobrazowania całych półkul. Obrazowanie całego wycinka tkanki wykazało wyraźną warstwę neuronów.
Komórki są wyraźnie zdefiniowane w obrazowaniu konfokalnym przy 20-krotnym powiększeniu i umożliwiają dokładne badanie markerów stanu zapalnego. Charakterystykę elektrochemiczną urządzeń wykorzystano do wyodrębnienia modułu impedancji i fazy in vitro, które śledzono w czasie z prędkością jednego kiloherca w ciągu sześciu miesięcy implantacji. Bardzo ważne jest, aby starannie dobrać wiek i wielkość zwierzęcia, aby uniknąć otwarcia zatok podczas operacji.
To naraziłoby na szwank chroniczny eksperyment. Ważne jest, aby unikać krwawienia podczas uzyskiwania dostępu do opony twardej lub wprowadzania implantów. Pozwoli to uniknąć dalszych powikłań i reakcji zapalnej.
Po wprowadzeniu tego modelu można go wykorzystać do wykonywania elektrofizjologii swobodnego zachowania u mini świń i rejestrowania aktywności z obszarów kory mózgowej. Metoda ta może być stosowana do gromadzenia danych dotyczących bezpieczeństwa biologicznego w celu złożenia wniosku o badanie kliniczne podczas opracowywania nowych neuroprotez, które zostaną przetłumaczone na ludzi.
Przegląd
To badanie przedstawia metodę oceny długoterminowej wydajności i bezpieczeństwa miękkich podtwardówkowych tablic elektrod w modelu minipigieł. Zawiera szczegóły dotyczące podejścia chirurgicznego, obrazowania pooperacyjnego oraz elektrofizjologicznej i elektrochemicznej oceny implantu.
Kluczowe elementy badania
Dziedzina nauki
- Neuronauki
- Inżynieria biomedyczna
- Elektrofizjologia
Tło
- Potrzeba przewlekłych urządzeń korowych w badaniach neuronaukowych.
- Znaczenie biokompatybilności i jakości sygnału w implantach.
- Wyzwania w długoterminowym monitorowaniu urządzeń neuronowych.
- Wykorzystanie dużych modeli zwierzęcych do testowania urządzeń.
Cel badania
- Ustanowienie reprodukowalnej metody oceny długoterminowej bezpieczeństwa i skuteczności urządzeń korowych.
- Ułatwienie monitorowania i obrazowania neuronowego w czasie.
- Współpraca przy rozwoju neuroprotez do funkcji zmysłowych i motorycznych.
Zastosowane metody
- Chirurgiczne implantowanie miękkich podtwardówkowych tablic elektrod u minipigieł.
- Pooperacyjne badanie rezonansowe magnetyczne (MRI) do oceny implantu.
- Elektrofizjologiczne rejestrowanie aktywności kory słuchowej.
- Elektrochemiczna charakterystyka implantów w czasie.
Główne wyniki
- Skuteczna implantacja i monitorowanie sygnałów mózgowych w czasie.
- Wizualizacja in vivo potwierdziła prawidłowe umiejscowienie implantu i integralność mózgu.
- Elektrochemiczne właściwości urządzeń były stabilne przez sześć miesięcy.
- Wyraźna identyfikacja warstw neuronowych i markerów zapalnych poprzez obrazowanie.
Wnioski
- Ta metoda zapewnia solidne ramy do oceny przewlekłych urządzeń korowych.
- Zwiększa rozumienie działalności korowej sieci na dużą skalę.
- Podejście można zastosować do innych dużych modeli zwierzęcych.
Często zadawane pytania
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.
