Summary
Nós fornecemos informações úteis para os cirurgiões que estão aprendendo o processo de implantação de eletrodos de registro crônicas neurais. Técnicas para sistemas de eléctrodos de ambos penetrantes e de superfície são descritos em um modelo animal de roedores.
Abstract
O sucesso de gravações a longo prazo electrofisiológicos depende muitas vezes da qualidade da cirurgia de implante. Aqui nós fornecemos informações úteis para os cirurgiões que estão aprendendo o processo de implantação de sistemas de eléctrodos. Nós demonstramos o procedimento de implantação de ambos um penetrante e um eléctrodo de superfície. O processo cirúrgico é descrita do início ao fim, incluindo as descrições detalhadas de cada passo ao longo do procedimento. Deve também ser notado que este guia de vídeo é focado para procedimentos realizados em modelos de roedores e outros modelos animais de pequeno porte. Modificações dos procedimentos descritos são viáveis para outros modelos animais.
Protocol
1. Pré-implante Procedimentos (Comum)
- Raspar o topo da cabeça do animal a partir de entre os olhos para bem atrás das orelhas. Use cortadores elétricos barbeiro para raspar a cabeça. Esfregue a cabeça pela primeira vez com álcool isopropílico, então betadine (3x). Aplique lubrificante ocular.
- Monte o animal em barras de ouvido estereotáxicas. Direcione a ponta da barra fixa orelha direita estereotáxica no conduto auditivo, da orelha direita do animal, movendo os lados da cabeça contra o canal. Extremo cuidado deve ser tomado para assegurar que cada ponta da orelha-bar está devidamente posicionado no conduto auditivo. Em seguida, pressione a barra de orelha esquerda solta dentro do canal auditivo e aplicar pressão interna leve. Segure o nariz do animal e wiggle frente e para trás com firmeza. Se o animal está montado corretamente a cabeça vai se sentir rigidamente montado.
2. Pré-implantação Cirurgia (Comum)
- Com uma tesoura fina, cortar dois circ meiales de dentro para fora da linha média, eliminação parcial do couro cabeludo
- Raspar e remover o tecido conjuntivo periósteo que adere ao osso. Raspagem com uma borda romba, tais como a parte de trás de uma lâmina de bisturi ou a ponta de uma mecha de algodão estéril irá minimizar o sangramento porque os capilares será esmagado em vez de cortar suavemente. Sangramento ósseo controle usando cera de osso ou um ferro de cauterização.
- Desinfetar e limpar a superfície óssea usando peróxido de hidrogênio. Seca-se o osso para fazer as suturas cranianas mais claramente visível. O bregma e pontos lambda deve notar-se e usado para nivelar a cabeça. O local da craniotomia e implante de eletrodo deve ser medida com relação ao bregma e pode ser temporariamente marcado com uma caneta ou por perfuração rasa na superfície. A localização craniotomia dependerá dos objectivos experimentais do estudo (isto é, do motor, as experiências sensoriais) 1.
- Perfurar screwholes dentro do osso e colocar o chão e estabilizar stripulações. Sempre utilize aço inoxidável ou parafusos de titânio. Parafusos joalheiro pequeno (por exemplo, # 2-56, 00-80 ou #) com quantos threads por polegada possível é desejável.
3. Procedimentos de implante de silicone dos eletrodos
- Fure a craniotomia, após a implantação parafusos. Perfurar quatro marcas superficiais piloto para os cantos da craniotomia. Utilizar as marcas piloto como uma guia de perfuração para fora do perímetro da craniotomia. Remover o centro de massa de osso que não foi perfurado utilizando um par de pinças resistentes. A aresta da craniotomia aberta pode precisar de ser limpo com a continuação da perfuração. Finos pedaços de osso pode ser cortada com um par de microrongeurs. Planeje sua cirurgia com cuidado para evitar grandes vasos sanguíneos, como o seio sagital, que pode aparecer dentro de 0,5 mm da sutura mediana longitudinal 1. Punção do seio sagital podem causar hemorragia extensa. Exposed dura deve ser mantido hidratado com aCSF ou solução salina.
- Para perfurar a dura-mátervocê vai precisar de moda um pequeno gancho utilizando uma agulha hipodérmica estéril de calibre pequeno (por exemplo, <calibre 28). Tomar o bisel da agulha e pressioná-lo contra uma superfície plana firme (tal como a parte plana de um bisturi) de inclinação ligeiramente para formar uma curva de 90 graus no ponto. Use este gancho para apanhar a superfície da dura-máter, e levantá-lo a partir da superfície do cérebro. A dura pode ser cortado com tesoura micro ou pode ser rasgada por meio de movimentos laterais do gancho dura-máter. Tomar cuidado para evitar vasos sanguíneos na superfície do cérebro quando se utiliza o gancho dura-máter. Deve notar CSF vazando quando dura é ressecado e uma diferença de cor a partir da superfície da dura-máter.
- Cuidadosamente anexar o fio terra do eléctrodo de silício em torno da base do parafuso chão, e tato no lugar com cimento dental. Os eletrodos de silicone deve ser colocado com cuidado para que os cabos eletrodos de cabo são arqueadas sobre a craniotomia.
- Os implantes serão colocados utilizando um motor linear atuador placed num aparelho estereotáxico. Para fixar o eléctrodo para o dispositivo de inserção, polietileno glicol (PEG) é aquecida com um ferro de soldar e aplicado a inserção da haste e do eléctrodo de gravação.
- Com o eléctrodo protegido, manualmente diminuir a ponta do eléctrodo para o local desejado estereotáxico sobre a superfície do cérebro.
- Usando o interface de software para o actuador linear, mover o eléctrodo na profundidade desejada dentro do tecido cerebral.
- Fixar o eléctrodo de registo no cérebro, anexando PEG a partir de um parafuso adjacente ao cabo do eléctrodo. Agora é possível remover o eléctrodo a partir do dispositivo de inserção através da adição de solução salina para dissolver o PEG ligado. Elevar o dispositivo de inserção de distância da craniotomia e de repetição para cada eléctrodo.
- Cubra a craniotomia exposta com Gelfoam embebida de solução salina. Um polímero de silicone é, em seguida, utilizada para cobrir o cabo do eléctrodo e protegê-lo a partir do acrílico dental. Posicione o conector na finallocalização, em seguida, aplicar acrílico dental para fazer um headcap robusto.
4. MicroECoG procedimentos de implante de eléctrodos
- Implantação do eletrodo microECoG envolverá uma craniotomia um pouco maior. Para um dispositivo de 5 mm x 5, um 6 x 6 mm craniotomia deve ser feita. Antes de perfurar a craniotomia, curável por UV acrílico dental é aplicada à periferia do local craniotomia enquanto ela ainda está seco e não em risco de tocar a dura-máter ou pia.
- Uma broca cirúrgica estéril é usado com uma rebarba # 107 para perfurar fora da superfície de osso na forma geral do craniotomia. Quanto menor # 106 da rebarba pode então ser usada para perfurar o resto do osso para baixo para uma camada fina e transparente. Fórceps, então, ser capaz de levantar a parte restante do osso. O microECoG pode ser implantado por via epidural ou subdurally. Novamente, mantenha a dura bem hidratado com CSF artificial ou solução salina.
- A fim de implantar o microECoG, coloque um braço estereotáxico sobre a open crânio, e proteger o eletrodo para o braço com fita estéril. O eléctrodo pode agora ser abaixado para dentro do craniotomia. Certifique-se que os sites de eletrodos são voltados para baixo e vai fazer contato com a dura ou superfície pial. Se mantida úmida, o eletrodo deve deslizar sobre o tecido e vai ficar no lugar.
- O fio terra está ligado ao parafuso de massa enrolando em torno de pelo menos três vezes sobre e sob si. O parafuso de chão pode ser qualquer parafuso que tenha entrado em contacto com a dura-máter. O fio de referência pode também ser ligado ao parafuso de referência da mesma maneira.
- Pequenos pedaços de Gelfoam embebido salina deve ser colocado em torno do eléctrodo, onde há dura ou pia exposta. Uma pequena quantidade de Gelfoam embebido salina também deve cobrir o topo do eléctrodo de película fina. Curável por UV acrílico dental podem ser aplicados para o início da Gelfoam e pode ser usado para criar uma tampa da cabeça estável. O acrílico é aplicada diretamente para o filme fino cabo covering até o conector é atingido. Ter cuidado para não cobrir além da parte inferior da tampa de ligação.
- Alternativamente, a implantação do microECoG em 4,3 pode ser imediatamente seguido pela implantação de uma matriz microeléctrodo de silício (passos 3,2-3,6) através de pequenos orifícios que são fabricados no substrato microECoG. Isto permite a gravação simultânea de ambas as unidades individuais em várias profundidades juntamente com gravações de alta resolução de campo a partir da superfície do cérebro circundante.
5. Recuperação Pós-Operatória
- Depois que o cimento esteja completamente endurecido, suturar a pele firmemente em torno do cabeça-tampão e retire o animal do quadro estereotáxico.
- Aplique o pó anti-séptico ou pomada antibiótica copiosamente em torno da ferida. Se houver qualquer sangramento das orelhas, coloque algum bem antibiótico no canal do ouvido.
- Mantenha o animal aquecido como barbitúricos impedir o animal de manter a sua temperatura corporal. Casa each cronicamente implantado animal numa gaiola separada. Geralmente, leva quatro a sete dias para que o animal recuperar completamente da cirurgia.
6. Os resultados representativos
A bem sucedida cirurgia de implante de eletrodo de silício terá gravar sites com impedâncias de medição entre 500kOhm 2MOhm, e eletrodos de filme fino entre 10kOhm-50kOhm (a 1kHz). O sinal neural pode ser verificado a cirurgia imediatamente pós também. Deverá ser capaz de ver picos sobre os eléctrodos implantados e ver oscilações de ondas lentas sobre o eléctrodo de película fina de superfície (Figura 1).
Figura 1. Os resultados representativos da actividade única unidade e oscilações ECOG. A) dados em banda larga a partir de 6 canais simultaneamente gravados de um eletrodo de silício crônica implantado no neocórtex. Observe que os picos pode ser visto em sites de gravação. b) EOscilações CG dos 6 canais de uma 16-canal matriz eléctrodo de película fina uECoG sobre a superfície do cérebro. A média de todos os 16 sinais foram removidos de cada traço (referência média comum), e um filtro digital 500 Hz passa baixo foi aplicado.
Discussion
Há um interesse crescente no uso de interfaces de gravação intracortical e superfície multicanal para pesquisar o funcionamento do cérebro 2, fornecendo microstimulation 3, ou sinais de controle para sistemas de neuropróteses 4,5. Os métodos descritos neste vídeo demonstram como implantar sistemas de eléctrodos de crônicas penetrantes e de superfície. Enquanto outros sistemas de eléctrodos de silício crônicas existem 6, temos focado na implantação de eletrodos planos desenvolvidos por NeuroNexus Technologies 7,8. Técnicas para a implantação de sistemas de eléctrodos de outros irá variar consideravelmente.
Dos passos cirúrgicos descritos, a montagem do animal nas barras de orelha estereotáxicas pode ser o mais difícil e, o passo mais importante na determinação da precisão da colocação dos eléctrodos implantados. Cuidado extremo deve ser tomado, por conseguinte, para assumir que cada ponta da orelha-bar está correctamente posicionada no conduto auditivo. Depois Assurance que a ponta da orelha-bar está no conduto auditivo do ouvido direito do animal, soltar o pescoço do animal com sua mão direita enquanto o polegar esquerdo eo indicador continuar a apoiar a cabeça e aplicar pressão da cabeça contra a ponta da orelha-bar. Com a mão direita, pressione a barra de orelha esquerda solta dentro do canal auditivo e aplicar pressão interna leve. Mova o lado esquerdo da cabeça do animal para baixo e para frente e ao redor até que você possa sentir o deslizamento da ponta da orelha esquerda-bar no conduto auditivo. Com a mão direita, continuar a aplicar pressão sobre a barra de orelha esquerda. Solte a cabeça do animal e, com a mão agora livre da esquerda, aperte o parafuso de fixação da barra de orelha esquerda.
Disclosures
DRK é co-proprietário de NeuroNexus Technologies.
Acknowledgments
Este trabalho foi financiado pelo Centro de Tecnologia de Comunicação Neural (CNCT), um Centro de Recursos P41 financiado pelo Instituto Nacional de Biomedical Imaging and Bioengineering (NIBIB, P41 EB002030) e apoiado pelo National Institutes of Health (NIH). Os autores agradecem a Vetter Rio de NeuroNexus Tecnologias para o desenvolvimento de técnicas cirúrgicas, e Paras Patel, da Universidade de Michigan para a elaboração da lista de equipamento utilizado durante as cirurgias.
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).
