Summary
Forniamo informazioni utili per i chirurghi che stanno imparando il processo di impianto di elettrodi di registrazione croniche neurali. Tecniche per sistemi di elettrodi sia penetranti e superficie sono descritti in un modello animale roditore.
Abstract
Il successo di registrazioni elettrofisiologiche lungo termine spesso dipende dalla qualità della chirurgia impianto. Qui si forniscono informazioni utili per i chirurghi che stanno imparando il processo di impiantare sistemi di elettrodi. Abbiamo dimostrato la procedura di impianto sia di un penetrante e un elettrodo di superficie. Il processo chirurgico è descritto dall'inizio alla fine, comprese le descrizioni dettagliate di ogni passo tutta la procedura. Va inoltre rilevato che questa guida video è focalizzata verso procedure svolte in modelli di roditori e di altri modelli animali di piccole dimensioni. Modifiche delle procedure descritte sono realizzabili per altri modelli animali.
Protocol
1. Procedure pre-impianto (Comune)
- Shave parte superiore della testa dell'animale di tra gli occhi e dietro le orecchie. Utilizzare elettrica barbiere tagliaunghie a radersi la testa. Scrub prima testa con alcool isopropilico, quindi Betadine (ripetere 3 volte). Applicare il lubrificante occhio.
- Montare l'animale in barre di auricolari stereotassiche. Dirigere la punta fissa del bar orecchio destro stereotassica nel canale uditivo dell'orecchio destro dell'animale spostando lateralmente la testa contro il canale. Estrema cura deve essere presa per assicurare che ciascun orecchio-bar punta è posizionato correttamente nel condotto uditivo. Quindi, spingere la barra allentato orecchio sinistro nel canale uditivo e applicare una leggera pressione verso l'interno. Afferrare il naso dell'animale e muovere avanti e indietro con fermezza. Se l'animale è montato correttamente la testa si sentirà montato rigidamente.
2. Pre-impianto Chirurgia (Common)
- Con un paio di forbici sottili, tagliate due circ mezzoles dall'interno verso l'esterno della linea mediana, eliminazione parziale del cuoio capelluto
- Raschiare e rimuovere il tessuto connettivo periostio che aderisce alle ossa. Raschiante con un bordo smussato come la schiena di un bisturi o la punta di un tampone di cotone sterile minimizzerà sanguinamento perché i capillari vengono schiacciati piuttosto che tagliare agevolmente. Ossea controllo del sanguinamento con cera osso o un ferro cauterizzazione.
- Disinfettare e pulire la superficie ossea con perossido di idrogeno. Essiccare l'osso per rendere le suture craniche più chiaramente visibile. Il Bregma e punti Lambda va notato e utilizzato per livellare la testa. La posizione di craniotomia e impianto elettrodo deve essere misurato rispetto Bregma e può essere temporaneamente contrassegnati con una penna o di perforazione superficialmente nella superficie. La posizione craniotomia dipenderà dalle finalità sperimentali dello studio (per esempio motore, esperimenti sensoriali) 1.
- Drill fori delle viti nell'osso e posizionare e stabilizzare il terreno sequipaggi. Usare sempre viti in acciaio inox o in titanio. Gioielliere Small viti (ad esempio # 2-56, o # 00-80) con, come molti fili per pollice possibile sono auspicabili.
3. Silicon elettrodi impianto Procedure
- Praticare la craniotomia Dopo aver impiantato viti. Praticare quattro marchi pilota poco profonde per gli angoli della craniotomia. Usando i marchi pilota come guida trapanare il perimetro della craniotomia. Rimuovere il centro di massa ossea che non è stato perforato con un paio di pinze robusti. Il bordo della craniotomia aperta potrebbe essere necessario pulire con ulteriore perforazione. Sottili pezzi di osso può essere agganciato con un paio di microrongeurs. Organizza il tuo intervento con attenzione per evitare i vasi sanguigni più importanti come il seno sagittale, che può apparire entro 0,5 mm di sutura linea mediana longitudinale 1. Pungere il seno sagittale possono causare sanguinamento estesa. Dura esposta deve essere conservato idratato con ACSF o Saline.
- Per perforare la dura madreè necessario alla moda un piccolo gancio con un ago ipodermico sterile di piccolo calibro (ad esempio, <28 gauge). Prendere la smussatura dell'ago e premere piatto contro una superficie solida (ad esempio la parte piatta di un bisturi) inclinazione leggermente a formare una piega a 90 gradi nel punto. Utilizzare questo gancio per catturare la superficie della dura madre, e sollevare verso l'alto dalla superficie del cervello. La dura può essere tagliato mediante forbici o microorganismi possono essere strappata con movimenti laterali del gancio dura. Fare attenzione ad evitare i vasi sanguigni sulla superficie del cervello quando si usa il gancio dura. Si dovrebbe notare CSF fuoriuscire quando dura è resecata e una differenza di colore dalla superficie della dura.
- Fissare accuratamente il cavo di terra dell'elettrodo silicio intorno alla base della vite di terra, e tatto in posizione con cemento dentale. Gli elettrodi di silicio deve essere collocato con attenzione in modo che il cavo di elettrodi conduttori sono ad arco sopra la craniotomia.
- Gli impianti di collocamento utilizzato sarà un motore lineare attuatore placed su un apparato stereotassico. Per collegare l'elettrodo al dispositivo di inserimento, polietilene glicole (PEG) viene riscaldata con un saldatore e applicato inserimento asta e l'elettrodo di registrazione.
- Con l'elettrodo assicurato, manualmente abbassare la punta dell'elettrodo nella posizione desiderata stereotassico sulla superficie del cervello.
- Utilizzando l'interfaccia software per l'attuatore lineare, spostare l'elettrodo nella profondità desiderata all'interno del tessuto cerebrale.
- Fissare l'elettrodo di registrazione nel cervello collegando PEG da una vite adiacente al cavo dell'elettrodo. È ora possibile rimuovere l'elettrodo dal dispositivo di inserimento con l'aggiunta di soluzione salina per sciogliere il PEG legato. Sollevare il dispositivo di inserimento dalla craniotomia e ripetere per ogni elettrodo.
- Coprire la craniotomia esposta con soluzione salina Gelfoam bagnato. Un polimero siliconico viene poi utilizzato per coprire il cavo dell'elettrodo e proteggerlo dal acrilico dentale. Posizionare il connettore in finaleposizione, quindi applicare acrilico dentale per fare una robusta cuffia.
4. MicroECoG procedure di impianto di elettrodi
- L'impianto dell'elettrodo microECoG comporterà una craniotomia leggermente più grande. Per un 5 x 5 millimetri dispositivo, una craniotomia 6 x 6 mm devono essere fatte. Prima di forare il craniotomia, UV-induribile acrilico dentale viene applicato alla periferia del sito craniotomia mentre è ancora asciutto e non rischia di toccare la dura o pia.
- Un trapano sterile chirurgica viene utilizzata con una fresa # 107 per perforare la superficie dell'osso nella forma generale della craniotomia. Il più piccolo # 106 bava può quindi essere utilizzato per perforare il resto dell'osso fino ad un sottile strato trasparente. Rongeurs sarà quindi in grado di sollevare il pezzo rimanente di osso. Il microECoG può essere impiantato epidurale o subdurally. Anche in questo caso, mantenere la dura ben idratati con CSF artificiale o Saline.
- Al fine di impiantare il microECoG, posizionare un braccio sopra la stereotassico Open cranio, e fissare l'elettrodo al braccio con del nastro sterile. L'elettrodo può essere abbassato in craniotomia. Assicurarsi che i siti di elettrodi sono rivolti verso il basso e saranno in contatto con la dura madre o la superficie piale. Se tenuto umido, l'elettrodo deve scorrere sul tessuto e rimanere sul posto.
- Il filo di terra è collegato alla vite di terra avvolgendo almeno tre volte sopra e sotto stessa. La vite di terra può essere qualsiasi vite che è entrato in contatto con la dura. Il filo di riferimento può anche essere legato alla vite di riferimento nello stesso modo.
- Piccoli pezzi di soluzione salina Gelfoam bagnato deve essere collocato circonda l'elettrodo dove c'è dura o pia esposti. Una piccola quantità di soluzione salina Gelfoam bagnato dovrebbe coprire anche la sommità dell'elettrodo di film sottile. UV-induribile acrilico dentale può essere applicata alla parte superiore del Gelfoam e può essere utilizzato per creare un cappuccio stabile testa. L'acrilico viene applicata direttamente al film sottile cavo di Covering fino a quando il connettore viene raggiunto. Fare attenzione a non coprire oltre la parte inferiore del cappuccio del connettore.
- In alternativa, l'impianto di microECoG in 4,3 può essere immediatamente seguita dalla impianto di una matrice microelettrodo silicio (passaggi 3.2-3.6) attraverso piccoli fori che sono fabbricati nel substrato microECoG. Questo permette la registrazione simultanea di entrambe le unità singole a varie profondità insieme con le registrazioni ad alta risoluzione sul campo dalla superficie cerebrale circostante.
5. Il recupero postoperatorio
- Dopo che il cemento è completamente indurito, suturare la pelle stretto attorno alla testa-cap e rimuovere l'animale dal telaio stereotassico.
- Applicare la polvere antisettica o pomata antibiotica copiosamente intorno alla ferita. In caso di sanguinamento dalle orecchie, posizionare alcuni ben antibiotico nel condotto uditivo.
- Mantenere l'animale caldo come i barbiturici evitare che l'animale di mantenere la propria temperatura corporea. Casa each cronicamente impiantati animale in una gabbia separata. Di solito ci vogliono da quattro a sette giorni per consentire all'animale di riprendersi completamente dalla chirurgia.
6. Risultati rappresentativi
Un successo elettrodo di silicio chirurgia implantare avrà registrare siti con impedenze di misura tra 500kohm-2MOhm, ed elettrodi a film sottile tra 10kOhm-50kOhm (a 1kHz). Il segnale neurale può essere controllato chirurgia immediatamente postale. Dovreste essere in grado di vedere picchi sugli elettrodi impiantati e vedi oscillazioni delle onde lente sulla superficie della pellicola sottile elettrodo (Figura 1).
Figura 1. Risultati rappresentativi di attività singola unità e oscillazioni ECOG. A) a banda larga di dati provenienti da 6 canali contemporaneamente registrate di un elettrodo di silicio cronica impiantato nella neocorteccia. Si noti che i picchi può essere spesso visto tra i siti di registrazione. b) EOscillazioni a cremagliera da 6 a 16 canali di canali film sottile uECoG matrice di elettrodi sulla superficie del cervello. La media di tutti i segnali 16 sono stati rimossi da ogni traccia (riferimenti media comune), e un 500 Hz filtro digitale passa basso è stato applicato.
Discussion
Vi è un crescente interesse utilizzando intracorticali e superficie interfacce registrazione multicanale per la ricerca di funzioni cerebrali 2, fornendo microstimolazione 3, o segnali di controllo per sistemi neuroprosthetic 4,5. I metodi descritti in questo video dimostrano come impiantare croniche sistemi di elettrodi di penetrazione e di superficie. Mentre altri sistemi di elettrodi di silicio croniche esistono già sei, ci siamo concentrati su l'impianto di elettrodi planari sviluppate da NeuroNexus Technologies 7,8. Tecniche per l'impianto di altri sistemi di elettrodi può variare notevolmente.
Dei passi chirurgici descritte, il montaggio delle barre animale orecchio stereotassiche può essere la più difficile e il passo più importante nel determinare la precisione del posizionamento degli elettrodi impiantati. Estrema cura deve essere presa, quindi, supporre che ciascun orecchio-bar punta è posizionato correttamente nel condotto uditivo. Dopo Assurance che l'orecchio-bar punta è nel condotto uditivo dell'orecchio destro dell'animale, rilasciare il collo dell'animale con la mano destra, mentre il pollice sinistro e l'indice continuerà a sostenere la testa ed esercitare una pressione della testa contro l'orecchio-bar punta. Con la mano destra, premere la barra allentato orecchio sinistro nel canale uditivo e applicare una leggera pressione verso l'interno. Spostare il lato sinistro della testa dell'animale verso il basso e in avanti e tutto intorno fino a quando si può sentire l'orecchio sinistro-bar slittamento punta nel meato uditivo. Con la mano destra, continuano a fare pressioni sulla barra orecchio sinistro. Rilasciare la testa dell'animale e, con la mano sinistra ora libera, stringere la vite di fissaggio della barra di orecchio sinistro.
Disclosures
DRK è in parte proprietario di NeuroNexus Technologies.
Acknowledgments
Questo lavoro è stato finanziato dal Center for Neural Communication Technology (CNCT), un P41 Resource Center finanziato dal National Institute of Biomedical Imaging e Bioingegneria (NIBIB, P41 EB002030) e sostenuto dal National Institutes of Health (NIH). Gli autori desiderano ringraziare Rio Vetter NeuroNexus delle Tecnologie per lo sviluppo di tecniche chirurgiche e Paras Patel dell'Università del Michigan per stilare l'elenco delle attrezzature utilizzate durante interventi chirurgici.
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).
