Summary
Vi gir nyttig informasjon for kirurger som lærer prosessen med å implantere kroniske nevrale opptak elektroder. Teknikker for både inntrengende og overflate elektrode systemer er beskrevet i en gnager dyr modell.
Abstract
Suksessen til langsiktige elektrofysiologiske opptak ofte avhenger av kvaliteten på implantasjon kirurgi. Her har vi gi nyttig informasjon for kirurger som lærer prosessen med implantere elektroder systemer. Vi viser implantasjonsprosedyren av både en gjennomtrengende og en overflate elektrode. Den kirurgiske prosessen er beskrevet fra start til slutt, inkludert detaljerte beskrivelser av hvert trinn gjennom hele prosedyren. Det bør også bemerkes at denne videoen guiden er rettet mot prosedyrer utført i gnagere og andre små dyremodeller. Modifikasjoner av de beskrevne prosedyrer er mulig for andre dyremodeller.
Protocol
1. Pre-implantat prosedyrer (Common)
- Barbere toppen av dyrets hode fra mellom øynene til godt bak ørene. Bruk elektrisk Barbers clippers å barbere hodet. Skrubb med hodet først med isopropylalkohol, så Betadine (gjenta 3x). Bruk øye smøremiddel.
- Monter dyret i stereotaxic øret barer. Rett fast spissen av høyre stereotaxic øre bar inn i øregangen av dyrets høyre øre ved å bevege hodet sidelengs mot kanalen. Ekstrem forsiktighet må utvises for å forsikre at hver øre-sverdspissen er plassert riktig i den auditive meatus. Neste, skyv løsnet venstre øre bar inn i øregangen og påfør lett innover press. Ta tak i dyrets nese og vrikke den frem og tilbake bestemt. Dersom dyret er montert riktig hodet vil føle fastmontert.
2. Pre-implantasjon Surgery (Common)
- Med et par fine saks, klippe to halv CIRCles fra midtlinjen og utover, delvis fjerning av hodebunnen
- Skrap og fjern periosteum bindevev som fester seg til ben. Skraping med en stump kant som baksiden av en skalpell blad eller tuppen av en steril bomullspinne vil minimere blødning fordi kapillærene vil bli knust snarere enn kuttet jevnt. Kontroll bein blødning ved hjelp ben voks eller en cauterizing jern.
- Desinfisere og rengjøre bein overflaten ved hjelp av hydrogenperoksid. Tørk bein å gjøre kraniale suturer mer tydelig. Den Bregma og Lambda punkter skal noteres og brukes til å vatre hodet. Plasseringen for kraniotomi og elektrode implantat bør måles med hensyn til Bregma og kan midlertidig merket med en penn eller ved å bore grunt inn i overflaten. Den kraniotomi plasseringen vil avhenge av eksperimentelle målene for studiet (dvs. motor, sensoriske eksperimenter) 1.
- Bor screwholes i beinet og plasser bakken og stabilisere smannskaper. Bruk alltid rustfritt stål eller titan skruer. Liten gullsmed skruer (for eksempel # 2-56 eller # 00-80) med så mange tråder per tomme som mulig er ønskelig.
3. Silicon elektrode implantat prosedyrer
- Bor kraniotomi etter implantering skruer. Bor fire grunne pilot karakterer for hjørnene av kraniotomi. Bruke pilot merker som guide bore ut omkretsen av kraniotomi. Fjern sentrum masse bein som ikke ble boret av et par solide tang. Kanten av den åpne kraniotomi må rengjøres med ytterligere boring. Tynne stykker av bein kan klippes med et par microrongeurs. Planlegg kirurgi nøye for å unngå store blodkar som sagittal sinus, som kan vises innenfor 0,5 mm av midtlinjen langsgående sutur en. Punktering av sagittal sinus kan føre til omfattende blødninger. Eksponert dura bør holdes hydratisert med aCSF eller saltvann.
- For å pierce dura matermå du mote en liten krok med en steril kanyle av liten måler (f.eks <28 gauge). Ta skråkant av nålen og trykk den flat mot et fast underlag (for eksempel den flate delen av en skalpell) vippe litt å danne en 90 graders bøy på det punktet. Bruk denne kroken til fange overflaten av dura, og løft oppover fra hjernen overflaten. Dura kan kuttes ved hjelp av mikro saks eller kan bli revet med laterale bevegelser i dura kroken. Pass på å unngå blodårer på overflaten av hjernen når du bruker dura kroken. Du bør merke CSF lekker ut når dura er resected og en forskjell i fargen fra overflaten av dura.
- Forsiktig feste jordledningen av silisium elektroden rundt bunnen av bakken skruen, og takt på plass med dental sement. Silisium elektrodene skal plasseres forsiktig slik at elektrodene kabelledningene er buet over kraniotomi.
- Implantater vil bli plassert ved hjelp av en lineær motor aktuator PLAced på en stereotaxic apparat. For å feste elektroden til innsetting enheten, polyetylenglykol (PEG) varmet med en loddebolt og brukes på innføringsstanga og innspillingen elektroden.
- Med elektroden sikret, manuelt senke tuppen av elektroden til ønsket stereotaxic plassering på overflaten av hjernen.
- Bruke programvaren grensesnittet til lineær aktuator, flytte elektrode inn ønsket dybde i hjernevevet.
- Sikre opptaket elektroden i hjernen ved å feste PEG fra et tilstøtende skruen til elektroden kabelen. Du kan nå fjerne den elektroden fra innsetting apparatet ved å legge saltvann for å løse opp PEG bundet. Hev innsetting enheten bort fra kraniotomi og gjenta for hver elektrode.
- Dekk utsatt kraniotomi med saltvann gjennomvåt Gelfoam. En silikon polymer blir så brukt til å dekke elektroden kabelen og beskytte den fra dental akryl. Plasser kontakten i finalenplassering, da gjelde tannlege akryl til å lage en robust ventilen.
4. MicroECoG elektrode implantat prosedyrer
- Implantasjon av microECoG elektroden vil innebære en litt større kraniotomi. For en 5 x 5 mm-enhet, må en 6 x 6 mm kraniotomi gjøres. Før boring av kraniotomi, er UV-helbredelig dental akryl påføres periferien av kraniotomi området mens det fortsatt er tørt og ikke i fare for å berøre dura eller Pia.
- En steril kirurgisk drill brukes med en # 107 grader for å bore ut overflaten av bein i den generelle formen på kraniotomi. Den mindre # 106 grader kan deretter brukes til å bore ut resten av benet ned til et tynt gjennomsiktig lag. Rongeurs vil da kunne løfte av den gjenværende del av bein. Den microECoG kan implanteres epidurally eller subdurally. Igjen, holder dura godt hydrert med kunstig CSF eller saltvann.
- For å implantere microECoG, plassere en stereotaxic arm over open skull, og sikre elektroden til armen ved hjelp av steril tape. Elektroden kan nå senkes ned i kraniotomi. Kontroller at elektroden nettstedene er vendt nedover og vil bli å komme i kontakt med dura eller pial overflate. Hvis holdes fuktig, bør elektroden gli inn i vevet, og vil holde på plass.
- Jordledningen kobles til jordingsskruen ved innpakning rundt minst tre ganger over og under seg selv. Jordingsskruen kan være noe skrue som har kommet i kontakt med dura. Henvisningen ledning kan også være knyttet til referansen skruen på samme måte.
- Små biter av saltvann gjennomvåt Gelfoam bør plasseres rundt elektroden der det er dura eller Pia utsatt. En liten mengde saltvann gjennomvåt Gelfoam bør også dekke toppen av den tynne filmen elektroden. UV-helbredelig dental akryl kan brukes på toppen av Gelfoam og kan brukes til å lage en stabil hode cap. Den akryl påføres direkte på den tynne filmen kabelen covering den til kontakten er nådd. Vær forsiktig så du ikke å dekke utover bunnen av kontakten cap.
- Alternativt kan implantering av microECoG i 4,3 umiddelbart etterfulgt av implantasjon av en silisium microelectrode array (trinn 3.2-3.6) gjennom små hull som er produsert i microECoG underlaget. Dette åpner for samtidig opptak av både enkle enheter på ulike dyp sammen med høy oppløsning feltopptak fra den omkringliggende hjernen overflaten.
5. Postoperativ Recovery
- Etter at sement har helt herdet, sy huden stramt rundt hodet-cap og fjern dyret fra stereotaxic rammen.
- Bruk antiseptisk pulver eller antibiotisk salve copiously rundt såret. Hvis det er noen blødning fra ørene, plassere noen antibiotika godt inn i øregangen.
- Hold dyret varmt som barbiturater hindre dyret i å opprettholde sin kroppsvarme. Hus EACh kronisk implantert dyr i en egen bur. Det tar vanligvis fire til syv dager for dyret å bli helt frisk fra kirurgi.
6. Representative Resultater
En vellykket silisium elektroden implantatkirurgi vil ha opptak områder med impedanser måler mellom 500kOhm-2MOhm, og tynn-film elektroder mellom 10kOhm-50kOhm (ved 1 kHz). Den nevrale signal kan sjekkes umiddelbart etter operasjonen også. Du bør kunne se pigger på den implanterte elektrodene og se langsomme bølger svingninger på den tynne filmen overflaten elektrode (figur 1).
Figur 1. Representative resultater av enhet aktivitet og ECOG svingninger. A) Wide-band data fra 6 samtidig registrert kanaler med en kronisk silisium elektrode implantert i neocortex. Merk at toppene kan ofte bli sett på tvers av opptak nettsteder. b) ECOG svingninger fra 6 kanaler med en 16-kanals tynn-film uECoG elektrode array på overflaten av hjernen. Gjennomsnittet av alle de 16 signalene ble fjernet fra hver trace (vanlig gjennomsnitt referering), og en 500 Hz digital low-pass filter ble brukt.
Discussion
Det er en økende interesse for bruk av intracortical og overflate flerkanals opptak grensesnitt for å forske hjernens funksjon 2, som gir tre microstimulation, eller styresignaler for neuroprosthetic systemer 4,5. Metodene som er skissert i denne videoen viser hvordan å implantere kroniske gjennomtrengende og overflate elektrode systemer. Mens andre silisium kroniske elektrode systemer eksisterer 6, har vi fokusert på å implantere elektroder planar utviklet av NeuroNexus Technologies 7,8. Teknikker for implantasjon av andre elektroden systemene vil variere betydelig.
Av de kirurgiske trinnene som beskrives, kan montering dyret i stereotaxic øret barene være det vanskeligste og mest viktig skritt i å bestemme nøyaktigheten av plasseringen av de implanterte elektroder. Ekstrem forsiktighet må tas derfor å anta at hver øre-sverdspissen er plassert riktig i den auditive meatus. Etter assuraNCE at øret-baren spissen er i den auditive meatus av dyrets høyre øre, slipper dyrets hals med din høyre hånd mens venstre tommel og pekefinger fortsette å støtte hodet og legge press på hodet mot øret-baren tips. Med høyre hånd, skyv løsnet venstre øre bar inn i øregangen og påfør lett innover press. Flytt venstre side av dyrets hode ned og frem og alle rundt til du kan føle det venstre øret-sverdspissen slip inn den auditive meatus. Med høyre hånd, fortsett å legge press på venstre øre bar. Slipp dyrets hode, og med din nå gratis venstre hånd, stramme skruen på venstre øre bar.
Disclosures
DRK er deleier i NeuroNexus Technologies.
Acknowledgments
Dette arbeidet ble finansiert av Senter for Neural kommunikasjonsteknologi (CNCT), en P41 Resource Center finansiert av National Institute of Biomedical Imaging og bioteknologi (NIBIB, P41 EB002030) og støttet av National Institutes of Health (NIH). Forfatterne ønsker å takke Rio Vetter av NeuroNexus Technologies for utvikling av kirurgiske teknikker, og Paras Patel ved University of Michigan for å sammenstille en liste over utstyret som brukes under operasjoner.
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).
