Summary
ホルマリン固定のひと死体が人間の脳の新皮質微小電極アレイの注入のための訓練で脳神経外科医を支援するために使用されている手順を考案しました。
Abstract
このプロトコルでは、人間の脳の新皮質に微小電極アレイの注入のための訓練の外科医を支援するための手順について説明します。最近の技術の進歩は、人間の脳の大脳皮質の複数の個々 のニューロンの活動を記録できるように微小電極アレイの作製を可能にしました。これらの配列には、健康と病気における脳機能の神経相関にユニークな洞察力をもたらす可能性があります。さらに、同定と意欲的神経活動の解読脳-コンピューターのインターフェイスを確立する可能性を開き、こうして失われた神経機能を回復に役立つかもしれない。新皮質の微小電極アレイの注入はスープラ centimetric 開頭手術と大脳皮質表面の露出を必要とする侵襲的なプロシージャしたがって、十分に訓練された脳神経外科医による手順を実行する必要があります。手術トレーニングのための機会を提供するためにひと死体モデルに基づく手法を考案しました。ホルマリン固定のひと死体の使用頭、頭蓋骨、髄膜の巨視的構造を維持しながらの動物 (特にヒト以外の霊長類) の手術の実際の実用的な倫理的な財政の難しさのバイパスと脳表面と現実的な手術室のような位置づけと計装のこと。さらに、人間の死体の使用は、任意の非人間モデルよりも日常臨床に近いです。死体のシミュレーションの主要な欠点は、血液と脳脊髄液の循環、脳の脈動の不在です。生きている人間の大脳新皮質の微小電極アレイを注入する前に適切な外科研修を確保するための十分な実用的でコスト効率の高いアプローチをひと死体のホルマリン固定モデルにはお勧めします。
Introduction
近年では生活で複数の個々 のニューロンの活動を記録するという課題に技術的なソリューションの開発脳の1,2,3。シリコン ベース電極アレイを信号特性の面で従来のワイヤ電極を同様に実行し、数十から何百ものニューロン大脳組織4,5,の小さなパッチに記録できます。6,7. 電極アレイはサルの一次運動野の神経活動とアームの動き8、順番脳コンピューター開発へ弾みを提供している間の通信を確立する科学者を許可しています。インターフェース (Bci)9。
微小電極アレイは、2 つの状況で人間に使用されている: コントロール Bci に慢性的なインプラントとてんかんを患っている患者で個々 のニューロンの活動を研究する半慢性的なインプラントとして。慢性的なインプラントは、一次運動野の手の機能表現をターゲット コンピューター カーソル10、11,12 のロボット アームの動きを制御する四肢麻痺患者を許可しています。 ,13。発作中に前後半慢性的なインプラントを一緒には候補者のてんかん手術14、薬剤抵抗性てんかん患者における硬膜下血下角 (ECOG) 電極挿入が単一ユニットの録音を許可します。中に、てんかん発作15,16,17,18,19の間に単一ニューロン活動に光を当てるに始めています。一方で、ニューロンの活動と認識、動きと健康と人間の思考の間のリンクを確立することによって、脳がどのように機能の私達の理解を大幅に向上する可能性がある電極アレイ病、その他の20,21。
シリコン ベース電極アレイ、商業的に利用可能な今、人間での使用は、半慢性てんかん適応で米国の規制当局によって承認されています。ただし、これらのデバイスは、侵襲的、脳に挿入する必要があります。神経活動を記録するデバイスの障害を越えての不適切な挿入技術の否定的な結果、脳出血、感染、長期的なまたは永続的な神経学的機能不全の可能性あります。微小電極配列移植の合併症率が現在知られている頭蓋内脳波 (EEG) macroelectrodes の注入中に潜在的に重篤な合併症の率は 1-522,23. 脳神経外科スキルと手順固有訓練したがって、電極アレイの適切な注入が必要です。
安全な環境で微小電極アレイと自分のスキルを磨くために外科医のため利用可能なアプローチは、ヒト以外の哺乳類と人間の死体に含まれます。理想的なトレーニング モデルがサイズと人間の頭蓋骨の厚さを忠実に再現靭性と; 硬膜の血管の分枝gyrification パターン、一貫性および人間の脳の脈動血液や脳脊髄液の循環の存在手術室 (OR) で対象の全体的なポジショニングと -環境のようです。したがって、動物モデルは、外科医に有意義な経験を提供するために十分な大きさでする必要があります。大規模な非ひと霊長類くる、最も近いが、手術の訓練のための使用は持続可能な両方の倫理的な観点から高価なので。齧歯動物はその小さなサイズのため考察を入力しないでください。でも猫やウサギを使用してまたはのような環境から大きく分岐を意味します。
人間の死体は、魅力的な代替手段を表しています。彼らの利点には、生命のようなサイズと頭と脳の形状と OR のような環境での外科研修を設定可能性が含まれます。現実的な状況から最も明白な出発は、脳の脈動と出血と側面と生体、死体保存24を利用したテクニックに固有の一貫性の変更の不在です。新鮮凍結遺体一貫性と多くの臓器や組織にある程度の柔軟性を保持するが、彼らはいくつかの欠点を持っている: 融解とすぐに低下し始める彼らを開始、脳が電極の挿入も低下し、現実的には、実行する配列と彼らは、比較的希少で高価なリソースです。死体のホルマリン固定、その一方より手頃な価格とはるかに耐久性、硬化組織が一貫性を犠牲にしています。
ここでは、新皮質の微小電極アレイの注入のための脳外科手術のトレーニングを提供するために人間の死体をホルマリン固定モデルを用いた手順を確立します。我々 のアプローチにより、位置決めおよび計装システムの現実的なまたはのような開頭術と痛覚を実行して、新皮質表面を公開します。隣接する開; 頭蓋骨に電極台座を取り付ける空気圧インパクター25大脳新皮質に微小電極配列を挿入します。批判的に、それにより (これは個別に絶縁の金ワイヤの束電極台座に接続される) 微小電極アレイの正確なアライメントを実践する外科医26新皮質の表面に平行。私達のプロトコルは忠実には候補者のてんかん外科患者における皮質注入とともに微小電極配列注入の徴候をレプリケートします。注入手術の経緯が微小電極配列の実際の型によって大きく左右します。ここでは、最近アメリカの人間の使用のための規制当局の承認を受信する配列する手順をについて説明します。いわゆるユタ配列構成 4 × 4 mm、100 電極グリッド;頭蓋骨; の外部テーブルに添付されている経皮台座ワイヤーの束 2 つを接続します。
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Protocol
この作品で使用されている人間の死体は、ボディ寄付医学教育の枠組みの下で提供されました。ドナーの有効期間中に書面で献体のインフォームド コンセントを得た。連邦および州の法令に従い倫理委員会による審査は必要ありません。
注: このプロトコルでは、患者のポジショニングし頭部固定、開頭手術や痛覚、縫合など、実際手術を行う人がトレーニングと標準的な脳神経外科手術の専門医であることを前提としています。ツールと機器の微小電極配列に固有に加え標準脳神経外科用具および装置を使用します。
1. 死体と手術室のセットアップの選択
- 病気や頭、頭蓋骨と脳の損傷の歴史無しの供試体を選択します。
- 必要に応じて、重要な頭蓋内の病変を (図 1 a)、例えば慢性硬膜下血腫や内軸の広大な病変がないことを確認する死体の頭部のコンピューター断層撮影 (CT) スキャンを実行します。(、一次運動野27トレーニングの場合の手の表現に対応した前回の「手ノブ」領域などの微小電極アレイのターゲットの皮質領域を識別する CT スキャンを使用すると、ため、BCI の注入)。
- 手術台の上の側臥位置死体。なく、郭清またはのような環境のリアリズムに追加するためにテーブルし、頭蓋骨クランプと空気圧インパクターの固定が容易になりますは、オペレーティング テーブルを使用します。側臥首の回転が制限されて、ホルムアルデヒド固定死体で前頭側のアプローチを許可するために死体を配置します。
- 頭蓋骨クランプ (図 1 b) の頭を修正します。外科用ドレープ (図 1) をカバーします。
注: ここで頭蓋骨クランプの後部のピンは通常内配置されていない矢状面 (図 1B参照)、頭の手術トレーニング用として残りの部分から分離屍体の頭を保持するために変更されていた頭蓋骨クランプを使用しています。体。- 手術台の上標準頭蓋骨クランプを使用する場合は、矢状面に対して垂直の頭を固定後部のピンを配置します。
2. 大脳新皮質の表面の露出
- 次の一時的な公開に疑問符切開骨と前頭骨、メスを使用して頭皮を切開します。切開の後縁に沿って筋を解剖します。鈍的切離 (図 1) により頭皮と側頭筋の筋をリクライニングします。
- 5 × 5 cm (図 2 a) などの大きな正方形前頭開頭を実行します。そのため、目的の開頭手術のコーナーで 4 つのバリの穴をドリルします。その後、バリの穴を接続するのに、craniotome を使用します。硬膜を公開、ヘラを使って骨弁を削除します。食塩に骨フラップを格納します。
- 硬はさみ (図 2 b) を使用して開頭手術の 3 つの側面で硬膜を開きます。それをリクライニングし、クモ膜と脳の新皮質 (図 2) の表面を公開します。
3. 電極台座の固定
- 微小電極配列が植え付けられる皮質回を選択します。微小電極配列が挿入されるときと同じ高さにうそをつく、ほぼ横ばいです gyral 表面を選択します。皮質表面に目に見える血管ルアーコーシング微小電極配列の挿入位置を確認します。
- 皮膚切開と束線に十分な余裕期間を許可する微小電極配列はターゲットの回に達することができるので、近くにあります, 開頭手術の優れた端に電極台座の固定のためのサイトを選択します。開頭術 (図 2 D) の横にある頭蓋骨の骨の外部テーブルの上に台座をネジします。6 に 8 タッピン皮質骨ネジ (6 mm、直径 2 mm) 適切な固定を確保するため使用します。
- 必ず台座を操作するとき、微小電極配列は何も触れていない (それは破損している可能性がありますまたは新皮質表面を裂くことができる) とプラスチックのピンセットで微小電極配列に近いワイヤー束を保持することによって、またはゴム被覆のヒント (図 2 e)。
4. 位置決めと微小電極配列の挿入
- 対象回の表面と平行電極アレイを配置します。そのため (図 3 a) 必要に応じてワイヤー束を曲げます。
注: 硬いワイヤー束は外科医の要望に容易に準拠していません。注意と忍耐は、微小電極アレイと皮質表面の良い配置を取得する必要があります。- 必要に応じて、頭蓋骨に束線を固定し、制御対象の回へ向けて「犬骨」チタンのストラップを使用します。束線の損傷を防ぐため、ストラップもしっかりは台無しして。
- 微小電極アレイ (図 3 b) のバックでおおよその配置に空気圧インパクターをもたらします。そのコントロール ボックスに空気圧インパクターの接続を制御し、コントロール ボックスに電源を入れます。
注: 空気圧インパクターが配列から 5 mm 以上コントロール ボックスを入れる前にまずオンの場合空気圧インパクターを発生可能性がありますを確認します。 - (図 3 b、インセット) の微小電極アレイの背面とインパクターのアライメントを調整するのに空気圧インパクター ホルダーの基地のネジを使用します。インパクターを用いた微小電極アレイの背面に遠足の距離と圧力制御のタップを適用し、くも膜膜を介してプッシュ、皮質表面に挿入します。
メモ: 確認して電極アレイが皮質の表面と同じ高さであります。
5. 位置決め硬膜下血 ECOG グリッドの
注: この手順は省略できます。
- (図 3 D) 露出の皮質表面に硬膜下皮質グリッドを配置します。必要であれば、ECOG グリッドの全体の形は、開頭術を収まるように、グリッドを切断することによって電極を取り外します。
- 上方や後方に、その線が硬膜と頭蓋骨を終了しますので、ECOG グリッドに合わせます。
- 皮質の表面と接触する前に生理食塩水で ECOG グリッドに水を引きます。
- ECOG グリッドを痛覚の端で硬膜に縫合固定します。
6. 再配置および硬膜、骨弁および皮弁の閉鎖
- 皮質表面上に戻って硬膜を反映し、痛覚の端に縫合します。
- セルフ タッピング ネジ皮質骨を用いた骨フラップの縁に「犬の骨」チタンのストラップをネジします。直上内骨フラップの位置を変更します。「犬の骨」チタンのストラップで頭蓋骨の骨に隣接しセルフ タッピング ネジ皮質骨骨フラップを固定します。骨の端間微小電極アレイ (とオプションの ECOG グリッド) のワイヤー束を粉砕しないように注意してください。
- 反映して皮弁を縫合します。電極台座 (図 3E) の首の周りの皮膚の切開を閉じる。
- また、頭皮のフラップに別刺し切開を介して頭皮の出口へ台座を許可します。
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Representative Results
我々 のプロトコルは、現実的なまたはのような環境で大脳新皮質に微小電極アレイを注入の手術を実践するのに外科医がするのに人間の死体をホルムアルデヒド固定モデルを使用します。頭部 CT などの事後のニューロ イメージングを実行するオプションは任意の重要な頭蓋内疾患 (図 1 a) の有無の確認し、移植部位の選択に役立つことができます。全体の標本の使用と手術台の手術のため設定訓練のプロシージャ (図 1 b-1 C) のリアリズムを増加します。ホルムアルデヒド固定はやや色、テクスチャ、および剛性体の組織を変更、新皮質の表面 (皮膚切開、開頭術、痛覚) を公開するための手術の手順の各ステップ実行できます簡単に標準に従って(図 1および図 2 a-2 C) 脳神経外科の練習。
微小電極配列に特定される手術の手順は、体内の状況に非常に同様に進んでください。まず、開頭術に近い頭蓋骨に電極台座をねじで構成されます (図 2 D-2E)。新皮質の表面に微小電極配列をもたらすプロシージャ (図 3 a)26の最も繊細なステップの 1 つです。位置決めと空気圧インパクターの操作もリアルなファッション (図 3 b) で実行されます。私たちのトレーニングのプロトコルは、これらの重要なステップで実験する外科医のための十分な機会を提供します。リアルな写実から出発死体モデル (わずかな上向きと下向きのハートビート、呼吸によって引き起こされる大脳新皮質表面の動き) 脳脈動の不在であります。それにもかかわらず、トレーニングのプロトコルの結果 (図 3-3E) 密接に26の現実の状況を再現します。
2 つの外科医によって実行される場合微小電極配列注入の平均手術時間は26です他の人によって報告されたとしても、30 分以内。
図 1.手術室のような環境を設定します。(A) 頭部 CT スキャンは、頭蓋内病変の有無を確認できます。(B) 位置頭頭蓋骨クランプ。(C) ドレープ頭。試験片の鼻は画像、左後頭部の右側には。(D) 切開と頭皮と側頭筋の筋をリクライニングします。この図の拡大版を表示するのにはここをクリックしてください。
図 2.新皮質の表面を公開し、電極の台座を取り付けるします。(A) 実行正方形開。(B) 痛覚を実行します。(C) は、硬膜を反映し、大脳新皮質の表面を公開します。(D) ねじ頭蓋骨骨直上の端の近くに電極台座 (inset: 骨ネジと台座の固定クローズ アップ)。(E) 不要な接触からの損傷を避けるためにピンセットで壊れやすい微小電極配列を保持します。この図の拡大版を表示するのにはここをクリックしてください。
図 3.位置決め、微小電極配列を挿入します。(A) 曲げ配置は皮質表面に微小電極配列を持って来るためにワイヤーの束 (inset: 皮質の微小電極アレイの配置にクローズ アップ)。(B) もたらす微小電極アレイの背面配置に空気圧インパクター (inset: インパクターと微小電極アレイの配置にクローズ アップ)。(C) 微小電極アレイの概要は、バンドルと電極の台座を配線します。(D) 大脳皮質の表面上の位置 ECOG グリッド。(E) すぐ皮膚電極台座の首。この図の拡大版を表示するのにはここをクリックしてください。
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Discussion
ひと死体のホルマリン固定モデルとここでの手術のプロトコルは、人間の大脳新皮質に微小電極アレイの外科プロシージャをレプリケートします。微小電極配列と、空気圧のインサーターとその挿入の位置付けを含む、手順の各ステップ進む現実の患者は、例外のようにほぼ同じ方法で、脳の脈動と循環が欠席しています。プロトコルの重要なステップは、新皮質の表面と空気のインサーターを使用して野にその宿便微小電極アレイの配置です。注意しなければならないこととして可能な限り皮質表面に平行配列を近似します。場合配列も空気圧のインサーターの最初のタップ後新皮質の表面と同じ高さに属さないこと 1 タップで追加配信されることができます。プロシージャ中微小電極アレイを機械的損傷から保護されるべきです。人間の注入の場合電極、バンドルまたはコネクタに目に見える破損がある場合、臨床症状、患者、配列の破棄の必要があります、別の 1 つが使用されます。
ユタ州配列は現在、人間の使用のための規制当局の承認を受けたのみ新皮質微小電極配列です。ただし、他の種類の電極動物で開発されているし、特定研究プロジェクト28内人間で使用される可能性があります。それぞれのアプローチは、独自の利点と欠点、主電極の設計に関連して、運ぶ。例えば、25必要性から開発されたもの、ユタ州の配列の弾道挿入テクニックは、配列が大脳皮質表面で正確に位置合わせされることを必要があります。必ずしも、この要件は灰白質に優しくプッシュすることができます他の電極には適用されません。いくつかの電極は、単一、所定の深さでニューロンからユタ州配列のサンプルに対し全皮質層29のアクティビティへのアクセスを許可します。ユタ州配列の主要な利点の 1 つは特にモーターの Bci11の適切なことを同時に記録できるニューロンの数が多いです。
脳神経外科研究所トレーニング コースの死体標本は、具体的には人体解剖学30,31を提示環境の触覚フィードバックを許可する高付加価値のモデルとして考慮されます。ただし、死体の普遍的なモデルがないと防腐技術は各プロシージャの目的に合わせられなければならない: 骨、硬膜、皮質、心室、または血管32というか、重要な (頭皮) などの軟部組織は、 33,34,35,36?新鮮なまたは冷凍 (凍結) 標本、頻繁に様々 な外科的処置の最高のモデルとして考慮される感染症を送信する危険性を運ぶ。さらに、彼らは高速崩壊31,37,38,39, 減少した組織のコンプライアンス、心室の崩壊と直上に続いてのため非常に限られた作業時間があります。35です。 私たちのプロトコルの場合ややしっかりした皮質表面を保つことこうして新鮮凍結標本の使用を排除、微小電極配列の挿入を有効にする必要があった。長期的な定着剤と殺菌特性を提供する防腐のソリューションは、また広く受け入れられている30,33,35,40です。ティール固定によるとミイラ死体が軟部組織の整合性に関しておよび筋膜または internervous 平面36の開発を高く評価されてが、脳の保全は、リアリズム41を欠いていると考えられています。ホルマリン系の固定により組織の硬化と収縮変色35,36,37と同様。ただし、ホルムアルデヒド固定は広く利用可能と手頃な価格で、死体のホルマリン固定は非常に耐久性。本稿では、安定したを提示、適切なモデルをことが判明 (特に整形外科アプローチ)、多くの手術トレーニング コースの欠点でありながら、ホルムアルデヒド固定による軟部組織の硬化でください。 コンテキストで従ってポスト mortem 脳皮質微小電極アレイの現実的なアプリケーションを可能にする脳のないあまりにも硬直の表面が。技術は、血液や死体のホルマリン固定30,31,39で脳脊髄液の循環をシミュレートするために開発されているし、さらにするために議定書を補完することがOR のような環境のリアリズムを増加します。
三次元 (3 D) 印刷最近医療および外科手術の教育ボディ部品を複製する入手しやすく現実的手段となっており。新規 3 D 印刷・合成のゼラチン状のキャストを使用して成型は、触覚フィードバックと現実的な脳モデルを提供します。このアプローチには、特定の個人の脳の解剖学を再現する印刷することができます、つまりより一般的なモデル42よりももっと解剖学的に正確な変形構造を提供するという利点があります。その一方で、剛性及び合成素材43の組織切削特性に関する予約まだあります。この意味で、屍体モデルは完全な層序だけでなく、脳の表面自体を含むより広範な解剖学的枠組みを与えます。
献体に手術のトレーニングに代わるものは生きている動物で練習しています。霊長類モデル、例えばサルに微小電極アレイを移植手術の位置決め、計測、人間で使用されるそれらに類似したなど、人間の患者に実際にプロシージャの機能のほとんどを再現してしまう、ない非常に遠くからの人間のその血液と脳脊髄液の循環と同様、脳の脈動の存在のサイズの gyrencephalic 脳。しかし、それは神経科学研究のためのサルの微小電極アレイをインプラントに受け入れ、手術トレーニングのためだけのサルを使用して広くお勧めしません、彼らの非常に高いコストのためだけでなく、倫理的な理由のため。いくつかの神経科学センター インプラント研究のために、サルの微小電極アレイ、これらのセンター (猿自身のコストと長いと手間、神経科学の研究の訓練のためにいくつかの動物を使用してサルと一般的に伴なう)、サルの微小電極配列注入はほとんどの外科医のためのオプションではないトレーニングします。齧歯動物とも猫やウサギなどの小動物を使用してまたはのような現実からあまりにも多く出発すると述べた。動物モデルの潜在的な利点の 1 つは、組織の治癒できる動物の生涯にわたって全体の手順を複数回繰り返すことです。ひと死体のモデルでは、全体の手順は、半球ごと一度に繰り返すことが。開頭術を示さない訓練を受けた脳神経外科に特に苦労。直上が十分な大きさである台座固定電極位置と挿入の手順繰り返すことができます必要に応じて頻繁に特定のセッション中に 1 つ以上の外科医のための適切な訓練機会を提供します。したがって、人間死体の防腐処理が微小電極アレイを移植する外科医を訓練する最も適切なモデルであると考えています。
BCI 開発における最近の進歩は、電極アレイが重症患者のための現在入手可能なコミュニケーション障害は、治療と回復ソリューションを臨床的に重要な追加を表すお勧め11,13,44. 微小電極アレイの注入が脳神経外科医のトレーニングの必須部分近い将来になって。電極を接続する (ワイヤレス接続) を介して可能性が高い神経信号の処理をコンピューターに改善と共に、電極の設計で改良は微小電極アレイの侵襲性を軽減し、さらに、医師と患者とその介護者の彼らのユーザビリティを向上させます。
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Disclosures
著者が明らかに何もありません。
Acknowledgments
著者らは、博士アンドレア ・ バルトリと教授カール ・ シャラー (脳神経外科部門, ジュネーブ大学教授 Margitta Seeck (スイス ジュネーブ大学病院神経内科部門ジュネーブ)、フランクリン ロブ (ブラック ・ マイクロシス テムズ)、博士に感謝して病院には、ジュネーブ、スイス連邦共和国)、氏フロラン Burdin と教授ジョン p. ドノヒュー (ウィス センター バイオと神経、ジュネーブ、スイス連邦共和国) の現在の仕事の準備でご支援します。
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| Mayfield skull clamp | Integra LifeSciences, Cincinnati, OH | A1059 | |
| Midas Rex MR7 system for craniotomy | Medtronic, Minneapolis, MN | EC300 | |
| Dura scissors | Sklar Surgical Instruments, West Chester, PA | 22-2742 | |
| Self-tapping bone screws | OrthoMed Inc., Tigard, OR | OM SYN211806 | |
| Microelectrode array and pedestal | Blackrock Microsystems, Salt Lake City, UT | LB-0612 | Mock-up arrays are available from the manufacturer upon request |
| Pneumatic impacter | Blackrock Microsystems, Salt Lake City, UT | LB-0088 | |
| 64-channel electrocorticography grid | Ad-Tech Medical Instrument Corporation, Racine, WI | FG64C-SP10X-0C6 | Optional |
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