Summary
Wij bieden nuttige informatie voor chirurgen die leren het proces van het implanteren van chronische neurale opname elektroden. Technieken voor doordringend oppervlak electrode zijn beschreven in een knaagdier diermodel.
Abstract
Het succes van langdurige elektrofysiologische opnamen vaak afhankelijk van de kwaliteit van de implantatiechirurgie. Hier hebben we nuttige informatie voor chirurgen die leren het proces van het implanteren van elektroden systemen. We tonen de implantatieprocedure zowel een indringend en een oppervlak elektrode. De chirurgische proces wordt beschreven van begin tot eind inclusief gedetailleerde beschrijving van elke stap in de procedure. Ook moet worden opgemerkt dat deze videogids gaat de aandacht naar de procedures uitgevoerd in diermodellen en andere kleine diermodellen. Modificaties van de beschreven procedures zijn haalbaar voor andere diermodellen.
Protocol
1. Pre-implantatie-procedures (Algemeen)
- Scheer de bovenkant van het hoofd van het dier van tussen de ogen om goed achter de oren. Gebruik elektrische kapper tondeuse op het hoofd scheren. Eerste schrobkop met isopropylalcohol, dan betadine (herhaal 3x). Breng het oog smeermiddel.
- Monteer het dier in stereotaxische oor bars. Richt de vaste punt van het recht stereotaxische oor bar in de gehoorgang van het recht van het dier het oor door het bewegen van het hoofd zijwaarts tegen het kanaal. Men moet uiterst voorzichtig worden genomen om te verzekeren dat elk oor-bar tip goed is gepositioneerd in de gehoorgang. Vervolgens drukt u op de losgemaakte linkeroor bar in de gehoorgang en oefen lichte druk naar binnen. Pak het dier neus en beweeg het heen en weer stevig aan. Als het dier wordt bevestigd goed het hoofd zal voelen vast gemonteerd.
2. Pre-implantatie Chirurgie (Algemeen)
- Met een paar mooie schaar, knip twee halve circles van de middellijn buiten gedeeltelijk verwijderen van de hoofdhuid
- Schraap en verwijder het periost bindweefsel dat hecht aan het bot. Schrapen met een botte kant, zoals de achterkant van een scalpel of de punt van een steriel wattenstaafje zal het minimaliseren van bloeden, omdat de haarvaten zullen verpletterd worden in plaats van vlot te snijden. Controle bot bloeding met behulp van bot was of een verbranden ijzer.
- Ontsmet en reinig het bot oppervlak met behulp van waterstofperoxide. Droog het bot naar de schedelnaden maken duidelijk zichtbaar. De bregma en Lambda punten dient te worden opgemerkt en gebruikt om de hoogte van het hoofd. De locatie voor craniotomie en elektrode implantaat moet worden gemeten met betrekking tot bregma en kunnen tijdelijk worden gemarkeerd met een pen of door het boren van ondiep in het oppervlak. De craniotomie plaats afhankelijk van de experimentele doel van het onderzoek (lees, sensorische experimenten) 1.
- Boor schroefgaten in het bot en leg de grond en het stabiliseren van debemanningen. Gebruik altijd roestvrij staal of titanium schroeven. Kleine juwelier schroeven (bijvoorbeeld # 2-56, of # 00-80) met zoveel mogelijk draden per inch mogelijk zijn wenselijk.
3. Silicon elektrode implantatieprocedures
- Boor de craniotomie na het implanteren van schroeven. Boor vier ondiepe pilot-merken voor de hoeken van de craniotomie. Met behulp van pilot-merken als leidraad te boren uit de omtrek van de craniotomie. Verwijder de middelste de massa van het bot dat niet werd geboord met behulp van een paar stevige tang. De rand van de open craniotomie moet mogelijk worden gereinigd met verder boren. Dunne stukjes bot kan worden geknipt met een paar microrongeurs. Plan uw operatie aan de grote bloedvaten, zoals het sagittale Sinus, die kunnen worden weergegeven binnen 0,5 mm van de middellijn langs hechtdraad te voorkomen 1. Aanprikken van de sagittale sinus kunnen grote bloedingen. Exposed dura moet blijven gehydrateerd met aCSF of zoutoplossing.
- Te doorboren de dura matermoet u de mode een kleine haak met een steriele injectienaald van kleine gauge (bijv. <28 meter). Neem de afschuining van de naald en druk het plat tegen een stevige ondergrond (zoals het vlakke gedeelte van een scalpel) kantelen iets naar een 90 graden bocht te vormen op het punt. Met deze haak aan het oppervlak van de duur vangen en omhoog tillen van de hersenen oppervlak. De duur kan worden gesneden met behulp van micro schaar of kan worden afgebroken met zijdelingse bewegingen van de duur haak. Zorg ervoor dat de bloedvaten op het oppervlak van de hersenen te voorkomen bij het gebruik van de dura haak. Je moet opvallen liquor lekt uit als dura wordt gereseceerd en een verschil in kleur van het oppervlak van de dura.
- Voorzichtig Bevestig de aardedraad van het silicium elektrode rond de basis van de grond los en tact in de plaats met tandheelkundige cement. De silicium elektrodes moeten zorgvuldig zo worden geplaatst dat de elektroden kabel kabels worden gebogen over de craniotomie.
- Implantaten worden geplaatst met behulp van een lineaire motor actuator placed een stereotaxisch apparaat. Om de elektrode hechten aan het invoegorgaan wordt polyethyleenglycol (PEG) verwarmd met een soldeerbout en toegepast inbrengstang en registratie-elektrode.
- Met de elektrode bevestigd, handmatig verlaagt de punt van de elektrode op de gewenste stereotaxisch plaats op het oppervlak van de hersenen.
- Met behulp van de software-interface van de lineaire actuator, verplaatst u de elektrode in de gewenste diepte in het hersenweefsel.
- Zet de registratie-elektrode in de hersenen vasthechten van PEG aan een aangrenzende schroef de elektrode kabel. U kunt de elektrode nu uit het inbrengen apparaat door het toevoegen van zout aan gebonden de PEG te ontbinden. Verhoog het inbrengen toestel uit de buurt van de craniotomie en herhaal voor elke elektrode.
- Bedek de blootgestelde craniotomie met een zoutoplossing gedrenkte Gelfoam. Een siliconen polymeer wordt gebruikt om de elektrode kabel bedekken en te beschermen tegen de tandheelkundige acryl. Plaats de connector in de finalelocatie, dan gelden tandheelkundige acryl op een robuuste headcap te maken.
4. MicroECoG elektrode implantatieprocedures
- Implantatie van de microECoG elektrode zal leiden tot een iets groter craniotomie. Voor 5 x 5 mm apparaat moet 6 x 6 mm craniotomie worden. Voor het boren van de craniotomie, is UV-drogende tandheelkundige acryl toegepast op de periferie van de craniotomie site, terwijl het nog droog en niet in gevaar van het aanraken van de dura of pia.
- Een steriele chirurgische boor wordt gebruikt met een # 107 braam te boren van de oppervlakte van het bot in de algemene vorm van de craniotomie. De kleinere # 106 bramen kan vervolgens worden gebruikt voor het boren van de rest van het bot tot een dunne transparante laag. Rongeurs zal dan in staat op te heffen de resterende stuk van het bot. De microECoG kan epiduraal of subdurally worden geïmplanteerd. Nogmaals, houd de dura goed gehydrateerd met kunstmatige CSF of zoutoplossing.
- Om de microECoG implanteren, plaats een stereotaxische arm over de open schedel, en zet de elektrode om de arm met behulp van steriele tape. De elektrode kan nu worden neergelaten in de craniotomie. Zorg ervoor dat de elektrode sites zijn naar beneden gericht en zal het maken van contact met de dura of pial oppervlak. Als vochtig gehouden, moet de elektrode schuift op het weefsel en blijft op zijn plaats.
- De grond draad komt met de grond schroeven van wikkelen rond tenminste driemaal onder zelf. De grond schroeven kan elke schroef die in contact komen met de duur zijn. De referentie draad kan ook worden verbonden met de referentie schroef op dezelfde wijze.
- Kleine stukjes van zout doordrenkte Gelfoam moeten worden geplaatst rondom de elektrode waar sprake is van dura of pia blootgesteld. Een kleine hoeveelheid van een zout-geweekte Gelfoam moet ook betrekking hebben op de top van de dunne film-elektrode. UV-uithardende tandheelkundige acrylaat worden toegepast op de bovenzijde van de Gelfoam en kan worden gebruikt om een stabiele kopkap maken. De acryl wordt direct op de dunne film-kabel COVERIng totdat de connector is bereikt. Zorg dat er geen te dekken dan de onderkant van de connector cap.
- Als alternatief kan de implantatie van de microECoG in 4.3 direct worden gevolgd door de implantatie van een silicium micro-elektrode array (stap 3,2 tot 3.6) door kleine gaatjes die zijn vervaardigd in de microECoG substraat. Dit maakt het mogelijk gelijktijdig opnemen van beide afzonderlijke eenheden op verschillende dieptes in combinatie met hoge resolutie field recordings uit de omliggende hersenen oppervlak.
5. Postoperatief herstel
- Na het cement volledig is uitgehard, stevig hechten van de huid rond het hoofd-cap en verwijder het dier uit de stereotaxisch frame.
- Breng antiseptische poeder of antibiotische zalf overvloedig rond de wond. Als er een bloeding uit de oren, plaats enkele antibiotica goed in de gehoorgang.
- Houd het dier warm als barbituraten het dier te voorkomen dat behoud van de lichaamswarmte. Huis each chronisch geïmplanteerd dier in een aparte kooi. Het duurt meestal vier tot zeven dagen voor het dier volledig te herstellen van de operatie.
6. Representatieve resultaten
Een succesvolle silicium elektrode implantatie zal het opnemen van sites met het meten van impedanties tussen 500kOhm-2Mohm, en dunne-film elektroden tussen 10kOhm-50Kohm (bij 1 kHz). De neurale signaal kan worden gecontroleerd onmiddellijk na de operatie ook. Je moet in staat zijn om pieken op de geïmplanteerde elektroden te zien en vertraging van oscillaties van de dunne film oppervlakte elektrode (Figuur 1) te zien.
Figuur 1. Vertegenwoordiger resultaten van eenheid activiteit en ECoG oscillaties. A) Wide-band gegevens van 6 gelijktijdig opgenomen kanalen van een chronische silicium elektrode ingeplant in de neocortex. Merk op dat spikes vaak zichtbaar zijn bij de opname sites. b) ETandwiel oscillaties van 6 kanalen van een 16-kanaals dunnefilm uECoG elektrode op het oppervlak van de hersenen. Het gemiddelde van alle 16 signalen zijn uit elke trace (common gemiddelde verwijzing) en een 500 Hz digitaal laagdoorlaatfilter toegepast.
Discussion
Er is een toenemende belangstelling voor het gebruik intracorticale en oppervlakte multichannel opname interfaces voor het onderzoeken van de hersenfunctie 2, het verstrekken van microstimulatie 3, of stuursignalen voor neuroprosthetic systemen 4,5. De methoden die in deze video ziet u hoe u chronische penetrerende en oppervlakte-elektrode systemen implanteren. Terwijl andere silicium chronische elektrode systemen bestaan 6 hebben we ons gericht op het implanteren van planaire elektroden ontwikkeld door NeuroNexus Technologies 7,8. Technieken voor de implantatie van andere elektrode systemen aanzienlijk variëren.
Van de beschreven chirurgische stappen, kan de montage van de dier in de stereotaxische oor bars zijn de moeilijkste en de belangrijkste stap bij het bepalen van de nauwkeurigheid van plaatsing van de geïmplanteerde elektroden. Men moet uiterst voorzichtig worden genomen, dus, aan te nemen dat elk oor-bar tip goed is gepositioneerd in de gehoorgang. Na AssuraNVU dat het oor-bar tip is in de gehoorgang van het recht van het dier oor, laat het dier zijn nek met je rechterhand, terwijl je linkerduim en wijsvinger nog steeds aan het hoofd te ondersteunen en de druk van het hoofd toe te passen tegen het oor-bar tip. Met je rechterhand duw de losgemaakte linkeroor bar in de gehoorgang en oefen lichte druk naar binnen. Verplaats de linker kant van het hoofd van het dier naar beneden en naar voren en rondom totdat u het linker oor-bar tip slip in de gehoorgang te voelen. Met je rechterhand, druk blijven uitoefenen op de linker oor bar. Laat het dier hoofd en met je nu gratis linkerhand, draai de stelschroef van het linker oor bar.
Disclosures
DRK is mede-eigenaar van NeuroNexus Technologies.
Acknowledgments
Dit werk werd gefinancierd door het Centrum voor Neurale Communicatie Technologie (CNCT), een P41 Resource Center gefinancierd door het National Institute of Biomedical Imaging and Bioengineering (NIBIB, P41 EB002030) en ondersteund door de National Institutes of Health (NIH). De auteurs willen Rio Vetter van NeuroNexus Technologies bedanken voor de ontwikkeling van chirurgische technieken, en Paras Patel van de Universiteit van Michigan voor het samenstellen van de lijst van de apparatuur die wordt gebruikt tijdens operaties.
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).
