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Artigo de método

Treinamento cirúrgico para implantação de microeletrodos Neocortical matrizes usando um modelo de cadáver humano formaldeído-fixo

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DOI:

10.3791/56584

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19 de novembro de 2017

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1Wyss Center for Bio and Neuroengineering, Geneva, 2Division of Neurology, Department of Clinical Neuroscience, Geneva University Hospitals, 3Department of Neurosurgery, Brigham and Women's Hospital, Harvard Medical School, 4Division of Neurosurgery, Department of Clinical Neuroscience, Geneva University Hospitals, 5Clinical Anatomy Research Group, Department of Cell Physiology and Metabolism, Faculty of Medicine, University of Geneva

Neste artigo

Resumo

Nós projetamos um procedimento em que um cadáver humano formaldeído-fixo é usado para ajudar os neurocirurgiões em treinamento para a implantação de matrizes de microeletrodos no córtex do cérebro humano.

Resumo

Este protocolo descreve um procedimento para auxiliar os cirurgiões em treinamento para a implantação de matrizes de microeletrodos no córtex do cérebro humano. Recentes progressos tecnológicos permitiu a fabricação de matrizes de microeletrodos que permitem gravar a atividade dos neurônios individuais múltiplas no neocórtex do cérebro humano. Estas matrizes têm o potencial de trazer uma visão única sobre as correlações neuronais da função cerebral na saúde e na doença. Além disso, a identificação e a decodificação de atividade neuronal volitivos abre a possibilidade de estabelecer interfaces cérebro-computador e assim pode ajudar a restaurar funções neurológicas perdidas. A implantação de matrizes de microeletrodos neocortical é um procedimento invasivo que requer uma craniotomia suprafamoso e a exposição da superfície cortical; assim, o procedimento deve ser realizado por um neurocirurgião devidamente treinado. A fim de proporcionar uma oportunidade para treinamento cirúrgico, nós projetamos um procedimento baseado em um modelo de cadáver humano. O uso de um cadáver humano formaldeído-corrigido ignora as dificuldades práticas, éticas e financeiras da prática cirúrgica em animais (primatas não-humanos especialmente), preservando a estrutura macroscópica da cabeça, crânio, meninges e cerebral superfície e permitindo que realista, sala de operações, como posicionamento e instrumentação. Além disso, o uso de um cadáver humano é mais para a prática clínica diária que qualquer modelo de não-humanos. As principais desvantagens da simulação cadavérico são a ausência de pulsação cerebral e da circulação de sangue e líquido cefalorraquidiano. Sugerimos que um modelo de formaldeído-corrigido o cadáver humano é uma abordagem adequada, prática e econômica para garantir formação cirúrgica adequada antes de colocar a matrizes de microeletrodos no neocórtex humano vivo.

Introdução

Nos últimos anos tem visto o desenvolvimento de soluções tecnológicas para o desafio de gravar a atividade dos neurônios individuais múltiplas do vida1,2,3no cérebro. Matrizes de microeletrodos baseados em silício faça da mesma forma para microeletrodos fio convencionais em termos de propriedades de sinal, e eles podem gravar a partir de dezenas a centenas de neurônios em um pequeno pedaço de tecido cerebral4,5, 6 , 7. matrizes de microeletrodos permitiram que os cientistas a estabelecer a correspondência entre a atividade neural no córtex motor primário de macacos e braço movimentos8, que por sua vez forneceu um impulso para o desenvolvimento do cérebro-computador interfaces (BCIs)9.

Matrizes de microeletrodos têm sido utilizados em seres humanos em duas situações: como crônicos implantes de controle BCIs e semi crônicos implantes para estudar a atividade de neurônios individuais em pacientes que sofrem de epilepsia. Implantes crônicos, visando a representação funcional da mão no córtex motor primário, permitiram que os pacientes que sofrem de tetraplegia, para controlar o movimento de um braço robótico, ou de computador cursores10,11,12 ,13. Implantes semi crônicos, inseridos junto com elétrodos subdural eletrocorticografia (ECOG) em pacientes com epilepsia resistente aos medicamentos que são candidatos à cirurgia de epilepsia14, permitam gravações unitárias antes, durante e depois da convulsão, e começaram a lançar luz sobre a atividade dos neurônios único durante e entre as crises epilépticas15,16,17,18,19. Matrizes de microeletrodos têm o potencial para melhorar significativamente a nossa compreensão de como o cérebro funciona através do estabelecimento de uma ligação entre a atividade dos neurônios, por um lado e as percepções, movimentos e pensamentos dos seres humanos, tanto na saúde e na doença, sobre os outros20,21.

Matrizes de microeletrodos baseados em silício estão disponíveis comercialmente e seu uso em humanos foi aprovado pelas autoridades reguladoras nos EUA na indicação de epilepsia semi crônica. No entanto, esses dispositivos são invasivos e devem ser inseridos no cérebro. As consequências negativas da técnica de inserção indevida, além do fracasso do dispositivo para gravar atividade neuronal, incluem hemorragia cerebral e infecção, com o potencial de disfunção neurológica permanente ou de longa duração. Embora a taxa de complicação de implantação de matriz de microeletrodos é atualmente desconhecida, a taxa de complicações potencialmente graves durante a implantação de macroelectrodes intracraniana Eletroencefalografia (EEG) é de 1-5%22, 23. portanto, a implantação adequada das matrizes de microeletrodos requer extensas habilidades neurocirúrgicas e treinamento de procedimento específico.

As abordagens disponíveis para os cirurgiões aprimorar suas habilidades com matrizes de microeletrodos em um ambiente seguro incluem mamíferos não-humanos e cadáveres humanos. O modelo de treinamento ideal seria reproduzir fielmente o tamanho e a espessura do crânio humano; a dureza e a ramificação vascular a dura-máter; o padrão de gyrification, a consistência e a pulsação do cérebro humano; a presença de circulação de sangue e líquido cefalorraquidiano; e o posicionamento global do sujeito em uma sala de operação (OR)-como o ambiente. Assim, modelos animais precisam ser de um tamanho suficiente para proporcionar uma experiência significativa para os cirurgiões. Grandes primatas não-humanos vêm mais próximos, mas seu uso para treinamento cirúrgico é insustentável tanto a partir de uma perspectiva ética e porque eles são caros. Roedores não entrar consideração por causa de seu tamanho pequeno; usando o mesmo gatos ou coelhos implica significativamente divergentes de um OR-como o ambiente.

Cadáveres humanos representam uma alternativa atraente. Suas vantagens incluem a vida, como tamanho e forma da cabeça e cérebro e a possibilidade de criação de formação cirúrgica em um ambiente semelhante ao OR. As partidas mais óbvias de uma situação realista são a ausência de pulsações cerebrais e hemorragia e as modificações no aspecto e consistência de tecidos do corpo que são específicos para a técnica utilizada para preservação de cadáveres24. Fresco congelado cadáveres preservar a consistência e a flexibilidade de muitos órgãos e tecidos em certa medida, mas eles têm várias desvantagens: eles começam degradando assim que descongelar começa, para que o cérebro torna-se muito degradado para a inserção de um microeléctrodo matriz para ser executada de forma realista e eles são um recurso relativamente raro e caro. Formaldeído-fixo de cadáveres, por outro lado, são mais acessíveis e disponíveis e muito mais durável, em detrimento da consistência de tecido endurecido.

Aqui, podemos estabelecer um procedimento usando um modelo de formaldeído-corrigido o cadáver humano para fornecer treinamento neurocirúrgico para a implantação de uma matriz de microeletrodos neocortical. Nossa abordagem permite realista, OR-como posicionamento e instrumentação; realização de craniotomia e durotomy e expondo a superfície neocortical; anexar o pedestal de eletrodo para o osso do crânio vizinhas a craniotomia; e inserir a matriz de microeletrodos no neocórtex com um pêndulo pneumático25. Criticamente, permite que os cirurgiões praticar o alinhamento preciso da matriz de microeletrodos (que está ligada ao pedestal do eletrodo por um feixe de fios de ouro individualmente isolados) paralelo a superfície neocortical26. Nosso protocolo reproduz fielmente a indicação de implantação de matriz de microeletrodos juntamente com implantação de ECOG em pacientes que são candidatos à cirurgia de epilepsia. As indicações da cirurgia de implantação são influenciadas significativamente pelo tipo exato de matriz de microeletrodos; aqui, descrevemos o procedimento para uma matriz que recebeu recentemente a aprovação regulatória para o uso em seres humanos nos EUA. A chamada matriz de Utah é composto por um 4 x 4 mm, grade de microeletrodos 100; um pedestal transcutânea anexado à tabela externa do crânio; e um feixe de fios conectando os dois.

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Protocolo

O cadáver humano utilizado neste trabalho foi fornecido no âmbito das doações de corpo para educação médica. Consentimento para a doação de corpo foi obtido por escrito durante o tempo de vida do doador. Em conformidade com as leis federais e cantonais, impunha-se sem revisão por um Comitê de ética.

Nota: Este protocolo assume que as pessoas que exercem a praticar cirurgia são neurocirurgiões com formação e experiência em procedimentos neurocirúrgicos padrão, incluindo o posicionamento do paciente e fixação de cabeça, craniotomia e durotomy e sutura. Além das ferramentas e equipamentos específicos para a matriz de microeletrodos, equipamento e ferramentas neurocirúrgicas padrão são usados.

1. seleção do cadáver e instalação da sala de cirurgia

  1. Selecione uma amostra sem história de doença ou lesão na cabeça, crânio e cérebro.
    1. Opcionalmente, realize um exame de tomografia computadorizada (CT) da cabeça do cadáver, para garantir que não há nenhuma significativa lesão intracraniana (figura 1A), por exemplo, hematoma subdural crônico ou uma lesão expansiva intra axial. Usando a tomografia computadorizada, identificar uma área cortical de destino para a implantação da matriz (tais como a área de "botão de mão" do giro pré-central, correspondente para a representação da mão no córtex motor primário27, no caso de formação de microeletrodos para a implantação de um BCI).
  2. Cadáver de posição em decúbito lateral na mesa de operações. Use uma tabela de funcionamento ao invés de uma dissecção da tabela para adicionar para o realismo do ambiente como OR e facilita a fixação do gancho de crânio e pêndulo pneumático. Posicione o cadáver em decúbito lateral para permitir a abordagem fronto-temporal em um cadáver de formaldeído-fixo, em quem a rotação do pescoço é limitada.
  3. Fixar a cabeça o grampo de crânio (figura 1B). Cobrir com panos de campo cirúrgicos (Figura 1).
    Nota: No nosso caso, os pinos posteriores da braçadeira do crânio são invulgarmente posicionados no plano sagital da cabeça (ver figura 1B), porque usamos uma braçadeira de crânio que tinha sido modificada para fins de treinamento cirúrgico segurar uma cadavérico cabeça separada do resto do corpo.
    1. Ao usar uma braçadeira de crânio padrão numa mesa de operações, coloque os pinos posteriores, protegendo a cabeça perpendicular ao plano sagital.

2. exposição da superfície neocortical

  1. Faça uma incisão no couro cabeludo usando um bisturi, seguindo uma ponto de interrogação incisão para expor o temporal e ossos frontais. Disse o músculo temporalis ao longo da borda posterior da incisão. Recline o músculo temporalis e couro cabeludo por dissecção romba (Figura 1).
  2. Execute uma craniotomia fronto-temporal quadrado grande, por exemplo, 5 x 5 cm (Figura 2A). Para esse efeito, furos quatro rebarba nos cantos da craniotomia pretendido. Em seguida, use o craniotome para se conectar a trepanação. Remova o retalho ósseo, usando uma espátula, expondo a dura-máter. Armazene o retalho ósseo em solução salina.
  3. Abra a dura-máter em três lados da craniotomia usando tesouras de dura-máter (Figura 2B). Recline-lo e expor a membrana aracnoide e a superfície do neocórtex cerebral (Figura 2).

3. fixação do pedestal do eletrodo

  1. Selecione um giro cortical onde a matriz de microeletrodos será implantada. Selecione uma superfície gyral está aproximadamente plana para que a matriz de microeletrodos mentirá nivelada com ele quando inserido. Certifique-se de que não há nenhuma corrente visíveis dos vasos sanguíneos na superfície cortical onde será inserida a matriz de microeletrodos.
  2. Selecione um local para a fixação do pedestal do eletrodo na borda superior da craniotomia, perto da incisão na pele e permitindo uma folga suficiente para o pacote do fio para que a matriz de microeletrodos pode atingir o giro do alvo. Dane-se o pedestal sobre a mesa externa do osso crânio junto a craniotomia (Figura 2D). Use de 6 a 8 parafusos auto-roscantes osso cortical (6 mm de comprimento, 2 mm de diâmetro) para garantir a fixação adequada.
    1. Ao manipular o pedestal, certifique-se sempre que a matriz de microeletrodos não toque em nada (que pode ser danificado ou pode lacerar a superfície neocortical) mantendo o pacote fio perto da matriz de microeletrodos com pinças com plástico - ou Dicas de revestimento de borracha (Figura 2E).

4. posicionamento e inserção da matriz de microeletrodos

  1. A matriz de microeletrodos posição paralela com a superfície de giro do alvo. Dobre o fio pacote como necessárias para o efeito (Figura 3A).
    Nota: O pacote de fio rígido não obedece facilmente a desejos do cirurgião. Cuidados e paciência são necessários para obter o bom alinhamento da matriz de microeletrodos e superfície cortical.
    1. Opcionalmente, use cintas de titânio "cão-osso" para fixar o fio bundle no crânio e controlar o seu curso através de giro do alvo. Não aperte a cinta demasiado firmemente para evitar danificar o bundle de fio.
  2. Trazer o pêndulo pneumático para alinhamento aproximado com as costas da matriz de microeletrodos (Figura 3B). Controlar as conexões do pêndulo pneumático para sua caixa de controle e em seguida, ative a caixa de controle.
    Nota: Certifique-se de que o pêndulo pneumático é pelo menos 5 mm afastada da matriz antes de ligar a caixa de controle, como o pêndulo pneumático pode ser acionado quando ligado primeiro.
  3. Utilize os parafusos milimétrica do titular do pêndulo pneumático para refinar o alinhamento do pêndulo com as costas da matriz de microeletrodos (Figura 3Bbaixo-relevo). Usando o pêndulo, aplicar um toque de distância - e pressão controlada de excursão na parte de trás da matriz de microeletrodos e inseri-lo na superfície cortical, empurrando-o através da membrana aracnoide.
    Nota: Verifique se a matriz de microeletrodos é nivelada com a superfície cortical.

5. posicionamento da grade ECOG subdural

Nota: Este passo é opcional.

  1. Posicione uma grade ECOG subdural sobre a superfície cortical exposta (Figura 3D). Se necessário, remova os eletrodos cortando através da grade para que a forma geral da grade ECOG caiba a craniotomia.
  2. Oriente a grade ECOG para que seus fios sairá a dura-máter e o crânio, superiormente ou posteriormente.
  3. Irriga a grade ECOG com soro fisiológico antes de colocá-lo em contacto com a superfície cortical.
  4. Prenda a grade ECOG sutura é a dura-máter nas bordas do durotomy.

6. reposicionamento e o encerramento da dura-máter, retalho ósseo, flap de pele

  1. Refletir a dura-máter volta sobre a superfície cortical exposta e sutura-la às bordas do durotomy.
  2. Dane-se correias de titânio "cão-osso" para as bordas da aba óssea utilizando osso cortical parafusos auto-rosqueantes. Reposicione o retalho ósseo dentro a craniotomia. Fixe o retalho ósseo para vizinhos ossos do crânio com as correias de titânio "osso de cão" e osso cortical parafusos auto-rosqueantes. Tome cuidado para não esmagar o pacote de fio de matriz de microeletrodos (e os da grade opcional ECOG) entre as arestas do osso.
  3. Refletir e suturar o retalho de pele. Feche a incisão na pele ao redor do pescoço do pedestal do eletrodo (Figura 3E).
    1. Alternativamente, permitir que o pedestal para a saída do couro cabeludo através de uma incisão separada facada transformada o retalho de couro cabeludo.

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Resultados

Nosso protocolo usa um modelo de formaldeído-fixado o cadáver humano para permitir que os cirurgiões praticar o procedimento cirúrgico de implantação de uma matriz de microeletrodos no córtex cerebral em um ambiente realista, como OR. A opção de executar o post-mortem neuroimagem, como tomografia, vai confirmar a ausência de qualquer lesão intracraniana significativa (figura 1A) e pode ajudar com a seleção do local do implante. Trabalhando com um espécime inteiro e configuração para cirurgia...

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Discussão

O modelo de cadáver humano formaldeído-fixo e o protocolo cirúrgico descrito aqui replicam o procedimento cirúrgico de implantação de matrizes de microeletrodos no córtex cerebral humano. Cada etapa do procedimento, incluindo o posicionamento da matriz de microeletrodos e sua inserção com o dispositivo de inserção pneumática, proceda quase da mesma forma como em um paciente da vida real, com a exceção essa pulsação cerebral e circulação estão ausentes. Os passos críticos no protocolo são o alinhamento da matriz com a sup...

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Divulgações

Os autores não têm nada para divulgar.

Agradecimentos

Os autores são gratos ao Dr. Rob Franklin (Blackrock Microsystems), Prof Margitta Seeck (divisão de Neurologia, hospitais da Universidade de Genebra, Genebra, Suíça), Dr. Andrea Bartoli e Prof Karl Schaller (divisão de neurocirurgia, Universidade de Genebra Hospitais, Genebra, Suíça) e o Sr. Florent Burdin e Prof John P. Donoghue (Wyss centro de Bio e Neuroengenharia, Genebra, Suíça) pelo seu apoio na elaboração do presente trabalho.

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Materiais

Lista de materiais utilizados neste artigo
NomeEmpresaNúmero de catálogoComentários
Grampo de crânio MayfieldIntegra LifeSciences, Cincinnati, OHA1059
Sistema Midas Rex MR7 para craniotomiaMedtronic, Minneapolis, MNEC300
Tesoura DuraSklar Surgical Instruments, West Chester, PA22-2742
Parafusos ósseos auto-roscantesOrthoMed Inc., Tigard, OROM SYN211806
Matriz de microeletrodos e pedestalBlackrock Microsystems, Salt Lake City, UTLB-0612Matrizes de maquete estão disponíveis no fabricante mediante solicitação
Impactador pneumáticoBlackrock Microsystems, Salt Lake City, UTLB-0088
Grade de eletrocorticografia de 64 canaisAd-Tech Medical Instrument Corporation, Racine, WIFG64C-SP10X-0C6Opcional

Referências

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