Summary
Vi giver nyttige oplysninger til kirurger, der er ved at lære processen med at implantere kroniske neurale optagelse elektroder. Teknikker til både gennemtrængende og overfladen elektrode systemer er beskrevet i en gnaver dyremodel.
Abstract
Den succes på lang sigt elektrofysiologiske optagelser ofte afhænger af kvaliteten af implantation kirurgi. Her giver nyttige oplysninger til kirurger, der er ved at lære processen med at implantere elektroder systemer. Vi viser implantationsproceduren af både en gennemtrængende og en overflade elektrode. Den kirurgiske proces er beskrevet fra start til slut, herunder detaljerede beskrivelser af hvert trin under hele proceduren. Det bør også bemærkes, at denne video guide er fokuseret mod procedurer udført i gnavermodeller og andre små dyremodeller. Modifikationer af de beskrevne procedurer er muligt for andre dyremodeller.
Protocol
1. Pre-implantat-procedurer (Fælles)
- Barbering toppen af dyrets hoved fra mellem øjnene til brønd bag ørerne. Brug el Barbers trimming at barbere hovedet. Skrubbehovedet først med isopropylalkohol og derefter betadinopløsning (gentage 3x). Anvendelse øjet smøremiddel.
- Monter dyr i stereotaksiske øre barer. Lede faste spidsen af højre stereotaksiske øre bar ind i øregangen på dyrets højre øre ved at bevæge hovedet sidelæns mod kanalen. Den yderste forsigtighed skal træffes for at sikre, at hvert øre-bar tip er korrekt placeret i øregang. Dernæst skubbe løsnede venstre øre bar ind i øregangen og anvende let indad pres. Tag fat i dyrets næse og vrikke den frem og tilbage fast. Hvis dyret er monteret korrekt hovedet føles stift monteret.
2. Pre-implantation Surgery (fælles)
- Med et par fine saks, klippe to halv circles fra midterlinjen udad, fjernelse delvist hovedbunden
- Skrabe og fjerne periosteum bindevæv, der klæber til knoglen. Skrabning med en stump kant, såsom bagsiden af et skalpelblad eller spidsen af en steril vatpind vil minimere blødning, fordi kapillærerne vil blive knust frem for at skære glat. Kontrol knogle blødning ved hjælp af ben voks eller en ætsende jern.
- Desinficere og rense knogleoverfladen med hydrogenperoxid. Tør knoglen for at gøre kranielle suturer mere tydeligt. Den Bregma og Lambda punkter skal bemærkes og anvendes til at udjævne hovedet. Positionen for kraniotomi og elektroden implantat skal måles med hensyn til Bregma og kan midlertidigt mærket med en pen eller ved at bore overfladisk i overfladen. Den kraniotomi placering vil afhænge af de eksperimentelle formål med undersøgelsen (dvs. motor, sensoriske forsøg) 1.
- Bor screwholes ind i knoglen, og læg jorden og stabiliserende sbesætninger. Brug altid rustfrit stål eller titanium skruer. Lille guldsmedens skruer (for eksempel # 2-56, eller # 00-80) med så mange tråde per tomme som muligt, er ønskelige.
3. Silicon Elektrode implantat procedurer
- Bor kraniotomi efter implantering skruer. Bor fire lavvandede pilotprojekter point for hjørnerne af kraniotomi. Anvendelse pilot mærker som en guide udbore omkredsen af kraniotomi. Fjerne centermasse af knogle, der ikke blev boret under anvendelse af et par af robuste pincet. Kanten af den åbne kraniotomi muligvis renses med yderligere boring. Tynde stykker af knogle kan klippes med et par microrongeurs. Planlæg din operation omhyggeligt for at undgå de store blodkar, såsom Sagittal Sinus, som kan forekomme inden for 0,5 mm af midterlinjen langsgående sutur 1. Punktere sinus sagittalis kan forårsage omfattende blødning. Udsat dura holdes hydratiseret med aCSF eller saltvand.
- At gennembore dura materDu bliver nødt til at mode en lille krog ved hjælp af en steril kanyle i lille måler (f.eks <28 gauge). Tage affasning af nålen og trykkes fladt mod en fast overflade (såsom den flade del af en skalpel) vippe en smule til dannelse af en 90 graders bøjning ved punktet. Benytte denne krog til at fange overfladen af dura, og løft opad fra hjernen overfladen. Dura kan skæres ved hjælp af mikro saks eller kan rives med laterale bevægelser af dura krogen. Sørge for at undgå blodkar på overfladen af hjernen ved anvendelse af dura krogen. De bør bemærke CSF lække ud, når dura er fjernet og en forskel i farve fra overfladen af dura.
- Omhyggeligt fastgøre jordledningen af silicium elektroden omkring bunden af jorden skruen, og takt på plads med dental cement. Silicium Elektroderne skal anbringes omhyggeligt, så at elektroderne kabelledninger er hvælvet over kraniotomi.
- Implantater vil blive placeret med en lineær motor aktuator placed på et stereotaktisk apparat. At fastgøre elektroden til indføring indretningen, er polyethylenglycol (PEG) opvarmes med en loddekolbe og anvendes til indføring stangen og elektrode.
- Med elektroden fastgøres manuelt sænke spidsen af elektroden til den ønskede stereotaksiske sted på overfladen af hjernen.
- Ved hjælp af software-interface til den lineære aktuator, bevæger elektroden til den ønskede dybde i hjernevæv.
- Fastgøre elektrode i hjernen ved at fastgøre PEG fra en tilstødende skrue til elektroden kablet. De kan nu fjernes elektroden fra indsættelsesindretningen ved tilsætning saltvand at opløse bundet PEG. Hæv indsættelse enheden væk fra kraniotomi og gentag for hver elektrode.
- Omfatter den udsatte kraniotomi med saltvand gennemvædet Gelfoam. En siliconepolymer anvendes derefter til at dække elektrodekabel og beskytte den mod dental acryl. Placer stikket i den endeligeplacering, derefter anvende dental akryl at lave en robust headcap.
4. MicroECoG Elektrode implantat procedurer
- Implantering af microECoG elektroden vil medføre en lidt større kraniotomi. En 5 x 5 mm indretning, må en 6 x 6 mm kraniotomi foretages. Før boring af kraniotomi, er UV-hærdelig dental acryl anvendes til periferien af den kraniotomi stedet, mens den stadig er tørt og ikke er i fare for at berøre dura eller pia.
- En steril kirurgisk bor anvendes med en # 107 grat at bore fra overfladen af knoglen i den generelle form af kraniotomi. Den mindre # 106 grat kan derefter anvendes til at udbore resten af knoglen ned til et tyndt transparent lag. Rongeurs vil derefter være i stand til at løfte den resterende stykke af knoglen. Den microECoG kan implanteres epiduralt eller subdurally. Igen, holde dura godt hydreret med kunstig CSF eller saltvand.
- For at implantere microECoG, placere en stereotaxisk arm over open kranium, og fastgøre elektroden til armen ved hjælp af sterile tape. Elektroden kan nu sænkes ned i kraniotomi. Sørg for elektrodestederne vender nedad og vil blive komme i kontakt med dura eller pial overflade. Hvis holdes fugtig, skal elektroden glide på væv og vil forblive på plads.
- Jordledningen er forbundet til jord skruen ved at vikle rundt om mindst tre gange over og under selve. Jorden Skruen kan være enhver skrue, der er kommet i kontakt med dura mater. Referencen ledning kan også være bundet til referencen skruen på samme måde.
- Små stykker af saltvand gennemvædet Gelfoam skal placeres omkring elektroden, hvor der er dura eller pia eksponeret. En lille mængde saltvand gennemvædet Gelfoam også dække toppen af den tynde film elektrode. UV-hærdelige dental acryl kan påføres toppen af Gelfoam og kan anvendes til at skabe en stabil hoved hætte. Acryl påføres direkte på den tynde film kablet covering, indtil stikket er nået. Pas på ikke at dække ud over bunden af stikket hætten.
- Alternativt kan implantation af microECoG i 4,3 straks efterfulgt af implantation af en silicium mikroelektrode array (trin 3,2-3,6) gennem små huller, der er fremstillet i microECoG substratet. Dette giver mulighed for samtidig optagelse af både enkelte enheder i forskellige dybder sammen med høj opløsning field recordings fra den omgivende hjernen overfladen.
5. Postoperativ Recovery
- Efter at cementen er helt hærdet, suturere huden stramt omkring hovedet hætten og fjerne dyret fra stereotaktisk ramme.
- Anvendelse antiseptisk pulver eller antibiotisk salve rigeligt omkring såret. Hvis der er nogen blødning fra ørerne, placere nogle antibiotikum godt ind i øregangen.
- Hold dyret varm som barbiturater forhindre dyret i at bevare sin kropsvarme. House ØKh kronisk implanteret dyr i en separat bur. Det tager normalt fire til syv dage for dyret at komme sig helt fra operationen.
6. Repræsentative resultater
En vellykket silicium elektrode implantat kirurgi vil have optage sites med impedanser måling mellem 500kOhm-2MOhm, og tynd-film elektroder mellem 10 Kohm-50kOhm (ved 1kHz). Den neurale signal kan kontrolleres umiddelbart efter kirurgi også. De skal være i stand til at se pigge på de implanterede elektroder og se slow wave oscillationer på den tynde film overflade elektrode (figur 1).
Figur 1. Repræsentative resultater af enkelt enhed aktivitet og ECOG svingninger. A) Wide-band data fra 6 samtidigt registrerede kanaler af en kronisk silicium elektrode implanteret i neocortex. Bemærk, at pigge ofte kan ses på tværs af optagelse steder. b) ECOG svingninger fra 6 kanaler i en 16-kanals tyndfilms uECoG elektrodeopstilling på overfladen af hjernen. Gennemsnittet af alle 16 signaler blev fjernet fra hvert spor (fælles gennemsnit referencer) og en 500 Hz digitalt lavpasfilter anvendt.
Discussion
Der er en stigende interesse i at bruge intracortical og overflade multikanal optagelse grænseflader for at forske i hjernens funktion 2, giver microstimulation 3 eller styresignaler til neuroprosthetic systemer 4,5. De metoder, der er skitseret i denne video viser, hvordan at implantere kroniske gennemtrængende og overflade elektrode systemer. Mens andre silicium kroniske elektrodesystemer findes 6, har vi fokuseret på at implantere plane elektroder er udviklet af NeuroNexus Technologies 7,8. Teknikker til implantering af andre elektrodesystemer vil variere betydeligt.
Af de kirurgiske beskrevne trin, kan montering af dyr i de stereotaksiske øret barer være den sværeste og vigtigste skridt til at bestemme nøjagtigheden af placeringen af de implanterede elektroder. Ekstrem forsigtighed skal udvises, således, at antage, at hvert øre-bar tip er korrekt placeret i øregang. Efter AssuraIOU, at øret-sværdspidsen er i øregang i dyrets højre øre, slipper dyrets hals med højre hånd, mens din venstre tommelfinger og pegefinger fortsætte med at støtte hovedet og anvende pres af hovedet mod øret-bar tip. Med din højre hånd, skubbe løsnede venstre øre bar ind i øregangen og anvende let indad pres. Flyt venstre side af dyrets hoved ned og frem og rundt, indtil du kan mærke det venstre øre-sværdspidsen glide ind i øregang. Med din højre hånd, fortsætte med at lægge pres på venstre øre bar. Slip dyrets hoved, og med nu gratis venstre hånd, det sæt skruen i venstre øre bar stramme.
Disclosures
DRK er medejer af NeuroNexus Technologies.
Acknowledgments
Dette arbejde blev finansieret af Center for Neural kommunikationsteknologi (CNCT), en P41 Resource Center finansieret af National Institute of Biomedical Imaging og Bioengineering (NIBIB, P41 EB002030) og støttet af National Institutes of Health (NIH). Forfatterne ønsker at takke Rio Vetter af NeuroNexus teknologier til udvikling af kirurgiske teknikker, og Paras Patel fra University of Michigan til at udarbejde en liste over udstyr, der anvendes under operationer.
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| Bone Screw - #2-56 x 3/16, phillips pan head, 18-8 S/S | BoltDepot | 7650 | |
| Bone Screw - #2-56 x 1/8, phillips pan head, 18-8 S/S | BoltDepot | 9617 | |
| Large Oxygen Tank - Size K | Cryogenic Gases | OXKME | |
| Small Oxygen Tank - Size E | Cryogenic Gases | OXYE-AL | |
| Vannas-Tubingen Spring Scissors - 2.5mm Blade, Angled | Fine Science Tools | 15002-08 | |
| Dumont #5 Forceps, Teflon | Fine Science Tools | 11626-11 | |
| Dumont #5 Forceps, Dumostar | Fine Science Tools | 11295-10 | |
| Student Vannas Spring Scissors | Fine Science Tools | 91500-09 | |
| Adson Forceps | Fine Science Tools | 11006-12 | |
| Friendman-Pearson Ronqeur, Curved | Fine Science Tools | 16221-14 | |
| Iris Scissors - ToughCut | Fine Science Tools | 14058-11 | |
| Vannas-Tubingen Spring Scissors - 5mm Blade, Straight | Fine Science Tools | 15003-08 | |
| Scalpel Handle | Fine Science Tools | 10003-12 | |
| Plastic Sterilization Box | Fine Science Tools | 20810-02 | |
| Stainless Steel Ruler | Fine Science Tools | 30086-15 | |
| Probe & Spatula - Straight 14cm | Fine Science Tools | 10090-13 | |
| Hemostat Straight | Fine Science Tools | 13002-10 | |
| Hemostat Curved | Fine Science Tools | 13003-10 | |
| Micro Drill Stainless Steel Burrs - 0.7mm | Fine Science Tools | 19008-07 | 10/Pack |
| Micro Drill Stainless Steel Burrs - 0.5mm | Fine Science Tools | 19007-05 | 10/Pack |
| Self-Tapping Bone Screws - 1.17mm (diam) - 4.7mm (length) | Fine Science Tools | 19010-00 | 100/Pack |
| Artificial Tears | Fisher Scientific | NC9860842 | Each |
| Betadine | Fisher Scientific | 19-066452 | Bottle |
| F-AIR Carbon Filters | Fisher Scientific | NC9112250 | Canister |
| Applicator Cotton Tipped, Non Sterile | Materiel Services | 1104 | 10Pack/Case |
| Gauze 2" x 2" | Materiel Services | 1630 | 25Pack/Case |
| Needle tip, 23 GA x 1" | Materiel Services | 39412 | Sold by Case |
| Needle tip, 27 GA x 1.25" | Materiel Services | 25251 | |
| Needle tip, 30 GA x 0.5" | Materiel Services | 22023 | 10Box/Case |
| Ointment, Triple Antibiotic 0.6g | Materiel Services | 2528 | |
| Pouch, Self Seal Sterilization Pouches, 3.5" x 8" | Materiel Services | 1023 | 10Box/Case |
| Ringers Solution 1000ml | Materiel Services | 5263 | 12Bag/Case |
| Scalpel Blade disposable sterile #15 | Materiel Services | 1975 | 3Box/Case |
| Suture, Nylon w/P-3 Needle, 5-0, 18in. | Materiel Services | 4618 | 12/Box |
| Underpad, Disposable 23" x 36" | Materiel Services | 2545 | 15Pack/Case |
| Lubricant, Jelly Surgical Sterile | Materiel Services | 2538 | 12Box/Case |
| Absorbable Foam Gel 2cmx6cmx7mm | Materiel Services | 3107 | |
| Six Piece Set-Screw Screwdriver Set | National Jewelers Supplies | ETSCR98001 | |
| Kwik Sil Adhesive | World Precision Instruments, Inc. | KWIK-SIL | |
| Kwik Sil Tubes | World Precision Instruments, Inc. | 600009 | |
| Chronic silicon electrodes 16 to 64 sites | NeuroNexus Technologies | Varies on Probe Design | |
| Chronic thin film surface electrodes (micr–CoG) 16 to 32 sites | NeuroNexus Technologies | Varies on Probe Design |
References
- Paxinos, G. A. The Rat Brain in Stereotaxic Coordinates. , Sixth Edition, Academic Press. (2007).
- Fujisawa, S. A. Behavior-dependent short-term assembly dynamics in the medial prefrontal cortex. Nat. Neurosci. 11 (7), 823-833 (2008).
- Merrill, D. B. Electrical stimulation of excitable tissue: design of efficacious and safe protocols. J. Neurosci. Methods. 141, 171-171 (2005).
- Gage, G. J. Naive coadaptive cortical control. J. Neural Eng. 2, 52-52 (2005).
- Marzullo, T. L. Development of Closed-Loop Neural Interface Technology in a Rat Model: Combining Motor Cortex Operant Conditioning With Visual Cortex Microstimulation. IEEE Trans. Neur. Sys. and Rehab. Eng. 18 (2), 117-126 (2010).
- Maynard, E. N. The Utah intracortical electrode array: a recording structure for potential brain-computer interfaces. Electroencephalogr. Clin. Neurophysiol. 102, 228-239 (1997).
- Kipke, D. V. Silicon-substrate intracortical microelectrode arrays for long-term recording of neuronal spike activity in cerebral cortex. IEEE Trans. Neural Syst. Rehab. Eng. 11 (2), 151-155 (2003).
- Vetter, R. W. Chronic neural recording using silicon-substrate microelectrode arrays implanted in cerebral cortex. IEEE Trans. Biomed. Eng. 51 (6), 896-904 (2004).
