Summary
Vi tillhandahåller användbar information för kirurger som lär processen att implantera kroniska neurala inspelning elektroder. Tekniker för både penetrerande och ytan elektrodsystem beskrivs i en gnagar-djurmodell.
Abstract
Framgången på lång sikt elektrofysiologiska inspelningar beror ofta på kvaliteten på implantationskirurgi. Här ger vi användbar information för kirurger som lär processen att implantera elektroder system. Vi demonstrerar implanteringsproceduren av både en genomträngande och en ytelektrod. Den kirurgiska processen beskrivs från början till slut, inklusive detaljerade beskrivningar av varje steg under hela förfarandet. Det bör också noteras att denna videohandledningen fokuseras mot förfaranden som utförs i gnagarmodeller och andra små djurmodeller. Modifieringar av de beskrivna förfarandena är möjliga för andra djurmodeller.
Protocol
1. Pre-implantat (vanlig)
- Raka toppen av djurets huvud från mellan ögonen till långt bakom öronen. Använda elektriska Barbers Clippers att raka huvudet. Skurhuvudet första med isopropylalkohol och sedan betadin (upprepa 3x). Applicera ögat smörjmedel.
- Montera djuret i stereotaktiska örat barer. Rikta fasta spetsen av högra stereotaxiska örat bar i hörselgången av djurets högra örat genom att flytta huvudet i sidled mot kanalen. Extrem försiktighet måste vidtas för att säkerställa att varje öra-bar tip är korrekt placerad i hörselgången. Därefter tryck lossade vänster öra bar i hörselgången och applicera lätt inåt tryck. Ta tag i djurets näsa och vickar den fram och tillbaka ordentligt. Om djuret är korrekt monterad på huvudet kommer att känna fast monterad.
2. Pre-implantationskirurgi (Common)
- Med ett par fina saxar, skär två halv circles från mittlinjen och utåt, delvis ta bort hårbotten
- Skrapa och ta bort benhinnan bindväv som fäster på benet. Skrapning med en trubbig kant, såsom ryggen av ett skalpellblad eller spetsen av en steril bomullstopp, minimeras blödning på grund av att kapillärerna ska krossas i stället skära smidigt. Kontroll ben blödningar, med användande ben vax eller en etsande järn.
- Desinficera och rengöra benytan med användning av väteperoxid. Torka benet att göra kraniala suturerna mer tydligt. Den Bregma och Lambda punkter bör noteras och användas för att plana huvudet. Platsen för kraniotomi och elektrod implantat bör mätas med avseende på Bregma och kan tillfälligt markeras med en penna eller genom att borra grunt i ytan. Den kraniotomi läge beror på de experimentella syftet med studien (dvs. motor sensoriska experiment) 1.
- Borra skruvhål i benet och placera marken och stabilisera sbesättningar. Använd alltid rostfritt stål eller skruvar titan. Liten juveleraraffärer skruvar (till exempel # 2-56, eller # 00-80) med så många trådar per tum som möjligt är önskvärt.
3. Kiselelektrod implantat
- Borra kraniotomi efter implantation skruvar. Borra fyra grunda pilotprojekt poäng för hörn kraniotomi. Använda pilot märken som guide borra ut omkrets kraniotomi. Ta bort mitt massan av ben som inte borras med ett par stadiga pincett. Kanten av den öppna kraniotomi kan behöva rengöras med ytterligare borrning. Tunna stycken av ben kan klippas med ett par microrongeurs. Planera din operation noga för att undvika stora blodkärl som sinus sagittalis, vilket kan verka inom 0,5 mm från mittlinjen längsgående sutur 1. Punktera sinus sagittalis kan orsaka omfattande blödning. Exponerade duran bör hållas hydratiserades med aCSF eller saltlösning.
- Att genomtränga den dura mätermåste du modet en liten krok med en steril injektionsnål av små gauge (t.ex. <28 gauge). Ta avfasning av nålen och trycker den platt mot en hård yta (till exempel den plana delen av en skalpell) lutar en aning så att en 90 graders böj på punkten. Använda denna krok för att fånga ytan av duran och lyft uppåt från hjärnans yta. Dura kan skäras med användning av mikro sax eller kan rivas med användning laterala rörelser hos dura kroken. Var noga med att undvika blodkärl på hjärnans yta när du använder dura kroken. Du kommer att märka CSF läcker ut när dura är opererande och en skillnad i färg från ytan av dura.
- Försiktigt fäster jordledningen av kisel elektroden runt basen av marken skruven och takt på plats med dental cement. De kisel Elektroderna ska placeras noggrant så att elektroderna kablarna är välvda över kraniotomi.
- Implantat kommer att placeras med hjälp av en linjär motor ställdon placed på en stereotaktisk anordning. Att fästa elektroden till införingsanordningen, är polyetylenglykol (PEG) upphettades med en lödkolv och appliceras på införingsstaven och den registrerande elektroden.
- Med elektroden fäst, manuellt sänka spetsen av elektroden till den önskade stereotaxisk ställe på ytan av hjärnan.
- Med användning av programgränssnitt till det linjära manövreringsorganet flyttar elektroden i det önskade djupet i hjärnvävnad.
- Fästa den registrerande elektroden i hjärnan genom att fästa PEG från en intilliggande skruv till elektroden kabeln. Man kan nu ta bort elektroden från införingsanordningen genom tillsats saltlösning för att upplösa PEG bunden. Höj införingsanordningen från kraniotomi och upprepa för varje elektrod.
- Täck den exponerade kraniotomi med koksaltlösning blöt Gelfoam. En silikonpolymer används sedan för att täcka elektroden kabeln och skydda den från det dentala akryl. Placera kontakten i det sistaplats, sedan använda dental akryl för att göra en robust headcap.
4. MicroECoG Förfaranden Electrode Implant
- Implantation av microECoG elektroden kommer att involvera en något större kraniotomi. För en 5 x 5 mm enhet måste en 6 x 6 mm kraniotomi göras. Innan borrning kraniotomi, är UV-härdande dental akryl appliceras på periferin av kraniotomi platsen medan det fortfarande är torrt och inte i fara för att trycka på dura eller Pia.
- En steril kirurgisk borr används med en # 107 grader för att borra bort från ytan av benet i den allmänna formen av kraniotomi. Den mindre # 106 grader kan sedan användas för att borra ut resten av benet nedåt till en tunn transparent skikt. Gougetänger kommer då att kunna lyfta bort resterande bit av ben. Den microECoG kan implanteras epiduralt eller subduralt. Återigen, håll dura väl hydrerad med artificiell CSF eller Saline.
- För att implantera microECoG, placera en stereotaxisk arm över opan skallen och säkra elektroden till armen med steril tejp. Elektroden kan nu sänkas ned i kraniotomi. Se till att elektroden webbplatser nedåt och kommer att göra kontakt med dura-eller pial yta. Om de hålls fuktiga, ska elektroden glida på vävnaden och kommer att stanna på plats.
- Jordledaren är ansluten till jord skruven genom att linda runt på minst tre gånger över och under sig själv. Marken skruven kan vara vilken som helst skruv som har kommit i kontakt med duran. Referensen tråd kan också bindas till referensaxeln skruven på samma sätt.
- Små bitar av saltlösning nedstänkta Gelfoam ska placeras runt elektroden där det finns dura eller Pia exponerade. En liten mängd saltlösning indränkt Gelfoam bör också omfatta den övre delen av den tunna filmen elektroden. UV-härdbar dentalakryl kan appliceras på toppen av Gelfoam och kan användas för att skapa en stabil huvudlocket. Den akryliska appliceras direkt till den tunna filmen kabeln covering tills kontakten nås. Var noga med att inte täcka mer än botten av konnektorhylsan.
- Alternativt kan implantation av microECoG i 4,3 omedelbart följas av implantation av en kisel mikroelektrod array (steg 3,2-3,6) genom små hål som tillverkas i microECoG substratet. Detta möjliggör samtidig inspelning av både enskilda enheter på olika djup tillsammans med högupplösta fältinspelningar från den omgivande hjärnans yta.
5. Postoperativ återhämtning
- Efter cementen har härdat, suturer huden tätt runt huvudet locket och avlägsna det djur från den stereotaktiska ramen.
- Applicera antiseptiska pulver eller antibiotisk salva rikligt runt såret. Om det finns någon blödning från öronen, lägg lite antibiotika långt in i hörselgången.
- Håll djuret varmt som barbiturater hindrar djuret från att upprätthålla sin kropp värme. House EACh implanterades kroniskt djur i en separat bur. Det tar vanligtvis fyra till sju dagar för djuret att återhämta sig helt från operationen.
6. Representativa resultat
En framgångsrik kisel elektrod implantatkirurgi kommer att spela webbplatser med impedanser som mäter mellan 500kOhm-2mohm och tunna film elektroder mellan 10kohm-50kOhm (vid 1 kHz). Den neurala signalen kan kontrolleras direkt efter operationen också. Man bör kunna se spikar på de implanterade elektroderna och se långsamma vågor oscillationer på den tunna filmens yta elektroden (Figur 1).
Figur 1. Representativa resultat av enhet aktivitet och svängningar ECOG. A) Wide-band data från 6 samtidigt registrerade kanaler en kronisk kisel elektrod implanteras i neocortex. Observera att spikar ofta kan ses över hela inspelningen webbplatser. b) ECOG oscillationer från 6 kanaler med en 16-kanals tunnfilmiga uECoG elektroduppsättningen på ytan av hjärnan. Medelvärdet av alla 16 signaler avlägsnades från varje spår (vanlig genomsnittlig referenser), och en 500 Hz digitalt lågpassfilter applicerades.
Discussion
Det finns ett ökande intresse av att använda intrakortikal och yta gränssnitt flerkanaliga inspelningar för forskning hjärnans funktion 2, som ger microstimulation 3 eller styrsignaler för neuroprosthetic system 4,5. De metoder som beskrivs i den här videon visar hur du implantera kroniska genomträngande och ytelektrod system. Medan andra kisel kroniska elektroder existerar 6, har vi fokuserat på att implantera plana elektroder som utvecklats av NeuroNexus Technologies 7,8. Tekniker för implantering av andra elektrodsystem kommer att variera avsevärt.
Av de beskrivna kirurgiska steg kan montera djur i stereotaktiska örat barerna vara den svåraste och viktigaste steget för att bestämma riktigheten i placeringen av de implanterade elektroderna. Extrem försiktighet måste vidtas, därför att anta att varje öra-bar tip är korrekt placerad i hörselgången. Efter AssuraNCE att örat-bar tips är i hörselgången i djurets högra örat, släpp djurets hals med din högra hand medan din vänstra tummen och pekfingret att fortsätta att stödja huvudet och tryck av huvudet mot örat-bar spets. Med din högra hand, tryck lossade vänster öra bar i hörselgången och applicera lätt inåt tryck. Flytta den vänstra sidan av djurets huvud ner och fram och runt tills du kan känna vänster öra-svärdsspetsen glida in i hörselgången. Med din högra hand, fortsätter att utöva påtryckningar på vänster öra baren. Släpp djurets huvud och med din nu fri vänster hand, dra åt skruven på vänster öra baren.
Disclosures
DRK är delägare i NeuroNexus Technologies.
Acknowledgments
Detta arbete har finansierats av Centrum för Neural kommunikationsteknik (CNCT), en P41 Resource Center som finansieras av National Institute of Biomedical Imaging och bioteknik (NIBIB, P41 EB002030) och stöds av National Institutes of Health (NIH). Författarna vill tacka Rio Vetter i NeuroNexus teknik för utveckling av kirurgiska tekniker och Paras Patel vid University of Michigan för att sammanställa en lista över utrustning som används vid 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).
