Summary
Vi har udviklet en procedure, hvor en formaldehyd-fast menneskelige Kadaver bruges til at hjælpe neurokirurger i uddannelse til implantation af mikroelektrode arrays til neocortex af den menneskelige hjerne.
Abstract
Denne protokol beskriver en procedure for at bistå kirurger under uddannelse til implantation af mikroelektrode arrays til neocortex af den menneskelige hjerne. De seneste teknologiske fremskridt har aktiveret fabrikation af mikroelektrode arrays, der giver mulighed for optagelse aktiviteten af flere individuelle neuroner i neocortex af den menneskelige hjerne. Disse arrays har potentiale til at bringe unikke indsigt på de neuronale korrelerer af cerebral funktion i sundhed og sygdom. Desuden, identifikation og afkodning af viljesmæssige neuronal aktivitet åbner mulighed for at etablere brain computer interfaces, og dermed kan bidrage til at genoprette tabt neurologiske funktioner. Implantation af neocortical mikroelektrode arrays er en invasiv procedure, der kræver en supra centimetric kraniotomi og eksponering af kortikale overflade; således, proceduren, der skal udføres af en tilstrækkeligt uddannet neurokirurg. For at give mulighed for kirurgiske uddannelse, designet vi en procedure baseret på menneskelige Kadaver model. Brug af en formaldehyd-fast menneskelige Kadaver omgår de praktiske, etiske og økonomiske vanskeligheder i kirurgisk praksis på dyr (især ikke-menneskelige primater) samtidig bevare den makroskopiske struktur af hoved, kraniet, hjernehinderne og cerebral overflade og giver mulighed for realistisk, operationsstuen-lignende positionering og instrumentation. Desuden er brug af en menneskelig Kadaver tættere på klinisk daglig praksis end enhver ikke-menneskelige model. De store ulemper ved dødt simuleringen er fravær af cerebral pulsering og blod og cerebrospinalvæske omsætning. Vi foreslår, at formaldehyd-fast menneskelige Kadaver model er en passende, praktisk og omkostningseffektiv tilgang at sikre ordentlig kirurgiske uddannelse før implanterer mikroelektrode arrays i levende menneskelige neocortex.
Introduction
De seneste år har set en udvikling af teknologiske løsninger til udfordring registrere aktiviteten af flere individuelle neuroner i levende hjerne1,2,3. Silicium-baserede mikroelektrode arrays udfører tilsvarende til konventionelle wire microelectrodes i form af signal egenskaber, og de kan optage fra snesevis til hundredvis af neuroner i en lille plet af cerebral væv4,5, 6 , 7. mikroelektrode arrays har tilladt forskere at fastslå overensstemmelsen mellem neurale aktivitet i den primære motor cortex af aber og arm bevægelser8, som igen har givet et løft til udviklingen af hjerne-computer grænseflader (BCIs)9.
Mikroelektrode arrays har været brugt i mennesker i to situationer: som kronisk implantater til at styre BCIs og semi-kronisk implantater til at studere aktivitet af individuelle neuroner i patienter, der lider af epilepsi. Kronisk implantater, rettet mod den funktionelle repræsentation af hånd i primære motor cortex, have tilladt patienter lider af tetraplegi til at kontrollere bevægelse af en robotarm eller computer markører10,11,12 ,13. Semi-kronisk implantater, indsat sammen med subduralt electrocorticography (ECOG) elektroder i patienter med resistente epilepsi, der er kandidater til epilepsi kirurgi14, tillade single-enhed optagelser før, under og efter anfald, og er begyndt at kaste lys over aktiviteten af enkelt neuroner under og i mellem epileptiske anfald15,16,17,18,19. Mikroelektrode arrays har potentiale til at forbedre vores forståelse af hvordan hjernen fungerer ved at etablere en sammenhæng mellem aktiviteten af neuroner, på den ene side og de opfattelser, bevægelser og tanker om mennesker, både i sundhed og sygdom, på de andre20,21.
Silicium-baserede mikroelektrode arrays er nu tilgængelige kommercielt og deres brug i mennesker er blevet godkendt af de regulerende myndigheder i USA i semi-kronisk epilepsi indikationen. Men disse enheder er invasive og sættes ind i hjernen. De negative konsekvenser af forkert indsættelse teknik, ud over manglende enhed til at optage neuronal aktivitet, omfatte cerebral blødning og infektion med potentiale for langvarige eller permanente neurologiske dysfunktion. Selv om komplikation satsen af mikroelektrode array implantation er i øjeblikket ukendt, er potentielt alvorlige komplikationer under implantation af intrakranielle electroencefalografi (EEG) macroelectrodes 1-5%22, 23. derfor ordentlig implantation af mikroelektrode arrays kræver både omfattende neurokirurgiske færdigheder og proceduren-specifik træning.
Tilgange til kirurger til at finpudse deres færdigheder med mikroelektrode arrays i et sikkert miljø omfatter ikke-menneskelige pattedyr og menneskelige kadavere. Den ideelle uddannelsesmodel ville trofast reproducere størrelse og tykkelse af den menneskelige kranium; sejhed og vaskulære forgrening af dura; gyrification mønster, konsistens og pulsering af den menneskelige hjerne; tilstedeværelsen af cirkulerende blod og cerebrospinalvæske; og den samlede placering af emnet i en operationsstue (OR)-ligesom miljø. Dyremodeller skal således være af en tilstrækkelig størrelse til at give en meningsfuld oplevelse at kirurgerne. Store ikke-menneskelige primater kommer nærmeste, men deres brug for kirurgisk oplæring er uholdbar både ud fra et etisk perspektiv, og fordi de er dyre. Gnavere indtaster ikke overvejelse på grund af deres lille størrelse; bruger selv katte eller kaniner indebærer afviger væsentligt fra en OR-lignende miljø.
Menneskelige kadavere repræsenterer et attraktivt alternativ. Deres fordele omfatter muligheden for oprettelse af kirurgiske uddannelse i en OR-lignende miljø liv-lignende størrelse og form af hoved og hjerne. De mest oplagte afgange fra en realistisk situation er manglen på cerebral pulseringer og blødning og ændringer i aspekt og konsistens af kroppens væv, der er specifikke for teknikken ansat for Kadaver bevarelse24. Frisk frosset kadavere bevare sammenhæng og fleksibilitet af mange organer og væv til en vis grad, men de har flere ulemper: de starter nedværdigende som optøning begynder, så hjernen bliver også forringet for indsættelse af en mikroelektrode array skal udføres realistisk, og de er en relativt sjældne og dyre ressource. Formaldehyd-fast kadavere, på den anden side er mere overkommelige og tilgængelige og langt mere holdbare, på bekostning af hærdet væv konsistens.
Her, etablere vi en procedure, ved hjælp af en formaldehyd-fast menneskelige Kadaver model til en neurokirurgiske uddannelse implantation af en neocortical mikroelektrode array. Vores tilgang giver realistiske, OR-lignende positionering og instrumentation; udfører kraniotomi og durotomy og udsætte neocortical overfladen; vedhæfter elektrode piedestal på kraniet knoglen tilstødende kraniotomi; og indsætte mikroelektrode array i neocortex med en pneumatisk Slaglegemet25. Kritisk, det giver mulighed for kirurger til at praktisere den præcise justering af matrixen mikroelektrode, (som er tilsluttet den elektrode piedestal af et bundt af individuelt isoleret guld tråde) parallelt med den neocortical overflade26. Vores protokol replikater trofast angivelse af mikroelektrode array implantation sammen med ECOG implantation i patienter, der er kandidater til epilepsi kirurgi. Oplysninger om implantation kirurgi påvirkes betydeligt af den nøjagtige type af mikroelektrode array; her, beskrive vi proceduren for en matrix, der for nylig modtaget myndighedsgodkendelse til brug i mennesker i USA. Den såkaldte Utah array består af en 4 x 4 mm, 100 mikroelektrode gitter; en transkutan piedestal, der er knyttet til den eksterne tabel af kraniet; og en wire bundt forbinder to.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
Den menneskelige Kadaver bruges i dette arbejde blev fastsat inden for rammerne af kroppen donationer for medicinsk uddannelse. Blev indhentet informeret samtykke til kroppen donation skriftligt i løbet af donor. I overensstemmelse med de føderale og kantonalt love var ingen anmeldelse af en etisk komité nødvendigt.
Bemærk: Denne protokol forudsætter, at de personer, der udfører praksis kirurgi er neurokirurger med uddannelse og ekspertise i standard neurokirurgiske procedurer, herunder patient positionering og hoved fiksering, kraniotomi og durotomy, og sutur. Ud over de værktøjer og udstyr specifikt til mikroelektrode array anvendes standard neurokirurgiske værktøjer og udstyr.
1. udvælgelse af Kadaver og opsætning af operationsstuen
- Vælg et eksemplar med ingen historie af sygdom eller skade på hovedet, kraniet og hjernen.
- Du kan eventuelt udføre en computertomografi (CT) scanning af kadavers hoved til at sikre, at der er ingen betydelig intrakraniel læsion (figur 1A), fx kronisk subduralt hæmatom eller en intra aksial ekspansiv læsion. Ved hjælp af CT-scanning, identificere en kortikale målområdet for implantation af mikroelektrode array (såsom "hånd knop" område af den precentral gyrus, svarende til repræsentation af hånd i den primære motor cortex27, i forbindelse med uddannelse til implantation af en BCI).
- Position dødning i laterale decubitus på en operationsbordet. Bruge en operationsbordet, snarere end en dissektion tabel føjes til realismen i OR-lignende miljø og letter fiksering af kraniet klemme og pneumatiske slaganordning. Placer dødning i laterale decubitus for at tillade den fronto-temporale metode i en formaldehyd-fast kadaver, i hvem hals rotation er begrænset.
- Fix hovedet i kraniet klemme (figur 1B). Dække med kirurgisk forhæng (figur 1 c).
Bemærk: I vores tilfælde, de posteriore stifter af kraniet klemme er usædvanligt placeret i sagittale flyet af hovedet (Se figur 1B), fordi vi brugte en skull klemme, der var blevet ændret til kirurgiske uddannelsesformål at afholde et dødt hoved adskilt fra resten af kroppen.- Når du bruger en standard kraniet klemme på en operationsbordet, placere de posteriore pins sikring hovedet vinkelret på sagittale flyet.
2. eksponering af neocortical overflade
- Incise hovedbunden ved hjælp af en skalpel, efter et spørgsmålstegn snit til at udsætte det timelige og frontale knogler. Dissekere temporalis musklen langs bagkanten af snittet. Læne sig tilbage i hovedbunden og temporalis musklen ved stumpe dissektion (fig. 1 d).
- Udføre en stor firkantet fronto-temporale kraniotomi, fx 5 x 5 cm (figur 2A). Til dette formål, bore fire burr huller i hjørnerne af den påtænkte kraniotomi. Brug derefter craniotome tilsluttes burr huller. Fjerne knogle flappen ved hjælp af en spatel, udsætter dura mater. Gemme knogle klap i saltopløsning.
- Åbn dura mater på tre sider af kraniotomi ved hjælp af dura saks (figur 2B). Læne sig tilbage det og udsætte den arachnoid membran og overfladen af den cerebrale neocortex (figur 2 c).
3. fiksering af elektrode piedestal
- Vælg en kortikale gyrus hvor mikroelektrode array vil blive implanteret. Vælg en gyral overflade, der er ca flade, så matrixen mikroelektrode vil ligge flugter med det når de indsættes. Sikre, at der er ingen synlige blodkar løbe på den kortikale overflade, hvor der indsættes mikroelektrode array.
- Vælg et websted til fiksering af elektrode piedestal på den overlegne kanten af kraniotomi hud indsnit, og giver tilstrækkeligt slæk for wire bundt, således at mikroelektrode array kan nå målet gyrus. Skrue piedestal på den eksterne tabel af kraniet knoglen ved kraniotomi (figur 2D). Bruge 6 til 8 selvskærende kortikale knogleskruer (6 mm længde, 2 mm i diameter) til at sikre passende fiksering.
- Når manipulere piedestalen, altid sikre at matrixen mikroelektrode ikke røre noget (det kan være beskadiget eller kunne lacerate den neocortical overflade) ved at holde wire bundt tæt på mikroelektrode array med pincet med plast - eller gummi-belagte tips (figur 2E).
4. positionering og indsættelse af mikroelektrode array
- Placer matrixen mikroelektrode parallelt med overfladen af target gyrus. Bøje wiren bundt som nødvendigt til dette formål (figur 3A).
Bemærk: Stiv ledning bundt overholder ikke let til kirurgens ønsker. Omhu og tålmodighed er forpligtet til at opnå god justering af mikroelektrode array og kortikale overflade.- Vælge at bruge "hund-ben" titanium stropper at sikre wire bundle til kraniet og styre sin kurs mod målet gyrus. Ikke skrue bæltet for stramt for at undgå at beskadige wire bundt.
- Bringe det pneumatiske Slaglegemet i omtrentlige justering med bagsiden af mikroelektrode array (figur 3B). Styre forbindelser af pneumatiske Slaglegemet til sin kontrolboks, og tænd derefter kontrolboksen.
Bemærk: Sørg for at pneumatisk Slaglegemet er mindst 5 mm fra matrixen før du tænder kontrolboks, som pneumatisk Slaglegemet kan udløses, når først tændt. - Brug de millimetric skruer af pneumatiske Slaglegemet indehaveren for at forfine de Slaglegemet justering med bagsiden af mikroelektrode array (figur 3Binset). Bruger Slaglegemet, anvende en udflugt afstand - og pres-kontrollerede tap på bagsiden af mikroelektrode array og indsætte det i den kortikale overflade, at skubbe det igennem den araknoid membran.
Bemærk: Kontroller, at mikroelektrode array er flugter med den kortikale overflade.
5. positionering af gitteret subduralt ECOG
Bemærk: Dette trin er valgfrit.
- Placer en subduralt ECOG gitter på den udsatte kortikale overflade (figur 3D). Om nødvendigt fjernes elektroder ved at skære gennem gitteret, således at den overordnede form af ECOG gitteret passer kraniotomi.
- Orientere ECOG gitter, således at dens ledninger vil afslutte dura mater og kraniet overlegent eller posteriort.
- Overrisle ECOG gitter med saltvand før du placerer det i kontakt med den kortikale overflade.
- Sikre ECOG gitteret ved suturering det til dura mater i kanterne af durotomy.
6. repositionering og lukning af dura mater, knogle klap og hud flap
- Afspejle dura mater tilbage over de udsatte kortikale overflade og sutur det til kanten af durotomy.
- Skrue "hund-ben" titanium stropper på kanten af knoglen flappen med selvskærende kortikale knogleskruer. Flytte knogle flappen inden for kraniotomi. Sikre knogle flap til nabolandet kranieknogler med "hund-ben" titanium stropper og selvskærende kortikale knogleskruer. Passe på ikke for at knuse wire bundt af mikroelektrode array (og dem af gitteret valgfri ECOG) mellem knoglekanter.
- Afspejler og sutur af hud flap. Luk hud indsnit i halsen af elektrode piedestal (figur 3).
- Alternativt, tillade piedestal at egress hovedbunden gennem en særskilt stab incision gjort til hovedbunden flap.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
Vores protokol bruger en formaldehyd-fikseret menneskelige Kadaver model til at give kirurger til at praktisere den kirurgiske procedure af implanterer en mikroelektrode array ind cerebral neocortex i et realistisk og OR-lignende miljø. Mulighed for at udføre post mortem neuroimaging, såsom head CT, vil bekræfte fravær af enhver betydelig intrakraniel læsion (figur 1A) og kan hjælpe med valg af webstedet implantation. Arbejder med en hele modellen og opsætning for kirurgi på en operationsbordet øger realismen i proceduren uddannelse (figur 1B-1 C). Selvom formaldehyd fiksering ændrer noget farve, tekstur og stivhed af kroppens væv, kan hvert trin af den kirurgiske procedure til at afsløre den neocortical overflade (hud indsnit, kraniotomi og durotomy) udføres nemt ifølge standard neurokirurgiske praksis (fig. 1 d og figur 2A-2 C).
Trin af den kirurgiske procedure, der er specifikke for matrixen mikroelektrode fortsætte meget tilsvarende situation i vivo . Det første trin består af skrue elektrode piedestal på kraniet knoglen nær kraniotomi ( figur 2D-2E). At bringe mikroelektrode array i tilpasningen til den neocortical overflade er en af de mest delikate trin i proceduren (figur 3A)26. Positionering og drift af pneumatiske Slaglegemet er også udført i realistiske mode (figur 3B). Vores uddannelse protokollen giver rig mulighed for kirurger til at eksperimentere med disse afgørende skridt. En afvigelse fra naturtro realisme er fraværet af cerebral pulsering i et Kadaver model (den lille opad og nedad bevægelser af de eksponerede neocortical overfladen forårsaget af hjerteslag og vejrtrækning). Ikke desto mindre, det endelige resultat af uddannelse-protokollen (figur 3 c-3E) nøje gengiver virkelige liv situation26.
Hvis udført af to kirurger, er den udløsende gennemsnitstid for mikroelektrode array implantation under 30 minutter, som også rapporteret af andre26.
Figur 1 . Opsætning af operationsstuen-lignende miljø. (A) hovedet CT scanning kan bekræfte fravær af enhver betydelig intrakraniel læsion. (B) holdning hovedet i kraniet klemme. (C) drapere hovedet. Modellens næse er til højre for billedet, nakkeknude til venstre. (D) Incise og læne sig tilbage, hovedbund og temporalis musklen. Venligst klik her for at se en større version af dette tal.
Figur 2 . Udsætter den neocortical overflade og vedhæfter elektrode piedestal. (A) udføre en stor firkantet kraniotomi. (B) udføre durotomy. (C) afspejler dura mater og udsætte den neocortical overflade. (D) skrue elektrode piedestal på kraniet knoglen nær kanten af kraniotomi (indsatser: close-up på fiksering af piedestal med knogleskruer). (E) Hold skrøbelige mikroelektrode array med pincet til at undgå skader fra uønsket kontakt. Venligst klik her for at se en større version af dette tal.
Figur 3 . Positionering og indsætte matrixen mikroelektrode. (A) bøje wiren bundt for at bringe mikroelektrode array på linje med den kortikale overflade (indsatser: close-up på tilpasningen af mikroelektrode array og cortex). (B) Bring pneumatisk Slaglegemet i tilpasningen til bagsiden af mikroelektrode array (indsatser: close-up om tilpasning af stødklods og mikroelektrode array). (C) oversigt over matrixen mikroelektrode wire bundle og elektrode piedestal. (D) Position ECOG gitter over den kortikale overflade. (E) tæt huden omkring halsen af elektrode piedestal. Venligst klik her for at se en større version af dette tal.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
Formaldehyd-fast menneskelige Kadaver model og kirurgisk protokollen beskrevet her replikere den kirurgiske procedure af implanterer mikroelektrode arrays i den menneskelige cerebral neocortex. Hvert trin i proceduren, herunder placering af mikroelektrode array og dens indsættelse med den pneumatiske inserter, fortsætte på næsten samme måde som i en virkelige liv patient, med undtagelsen at cerebral pulsering og omsætning er fraværende. De kritiske trin i protokollen er justeringen af mikroelektrode array med neocortical overflade og dens impaction i cortex ved hjælp af en pneumatisk inserter. Man skal være opmærksom at tilnærme array som parallel med den kortikale overflade som muligt. I tilfældet kan at arrayet ikke ligger flugter med den neocortical overflade efter den første tryk af de pneumatiske inserter, en ekstra tryk leveres. Under hele proceduren, skal mikroelektrode array beskyttes mod mekaniske skader. Ved implantation i en menneskelig patient i kliniske tilstande, hvis der er nogen synlig skade på microelectrodes, bundt eller stik, array skal kasseres, og en anden brugt.
Utah array er i øjeblikket kun neocortical mikroelektrode matrixen, der har modtaget myndighedsgodkendelse til brug i mennesker. Men andre typer af microelectrodes er blevet udviklet i dyr og kan bruges hos mennesker inden for specifikke forsknings projekter28. Hver tilgang har sine egne fordele og ulemper, for det meste vedrører udformningen af elektroderne. For eksempel, kræver ballistiske indsættelse teknik af matrixen Utah, som blev udviklet ud af nødvendighed25, at arrayet netop blive justeret med den kortikale overflade; Dette krav gælder ikke nødvendigvis for andre microelectrodes, som kan blive skubbet blidt ind i det grå materie. Nogle elektroder giver adgang til aktiviteten af alle kortikale lag29, hvorimod matrixen Utah prøver fra neuroner i en enkelt, forudbestemt dybde. En af de store fordele ved Utah array er det store antal af neuroner, der kan optages samtidig, hvilket gør det særligt velegnet til motor BCIs11.
Til neurokirurgiske laboratorium kurser betragtes dødt enheder som modeller af høj værdi, så haptisk feedback i et miljø, der præsenterer specifikt menneskelige anatomi30,31. Der er ingen universel Kadaver model, dog, og til balsamering teknik skal tilpasses til hver procedure mål: er bløde væv (såsom hovedbunden) af betydning, eller rettere knogler, dura mater, cortex, hjertekamrene eller blodkar32, 33,34,35,36? Friske eller frisk frosset (befrugtede) prøver, indebærer mens ofte betragtet som den bedste model til en lang række kirurgiske procedurer, en risiko for overførsel af infektionssygdomme. Desuden, de har en meget begrænset arbejdstid på grund af hurtig forfald31,37,38,39, efterfulgt af nedsat væv overholdelse, ventrikulær sammenbrud og pneumocephalus 35. i forbindelse med vores protokol, opretholde en lidt fast kortikale overflade var et krav om at muliggøre indsættelsen af mikroelektrode array, således udelukker brugen af en frisk frosset prøvemateriale. Balsamering løsninger giver langsigtet fiksativ og bakteriedræbende egenskaber er også bredt accepteret30,33,35,40. Kadavere balsameret ifølge Thiel fiksering er højt respekteret i form af bløde væv sammenhæng og for at udvikle fascial eller internervous fly36, men bevarelse af hjernen menes manglende realisme41. Formaldehyd-baserede fiksering forårsager væv stivhed og retraktion samt misfarvning35,36,37. Men formaldehyd fiksering er bredt tilgængelige og overkommelige, og formaldehyd-fast kadavere er meget holdbare. I forbindelse med præsenteret i dette papir, hærdning af bløde væv forårsaget af formaldehyd fiksering, samtidig med at være en ulempe for mange kirurgiske kurser (navnlig for ortopædisk tilgange), viste sig for at være en passende model, præsenterer et stabilt, men ikke alt for stive overfladen af hjernen, således giver mulighed for en realistisk anvendelse af matrixen kortikale mikroelektrode på post mortem hjernen. Teknikker er blevet udviklet for at simulere cirkulationen af blod og cerebrospinalvæske i formaldehyd-fast kadavere30,31,39 og kunne supplere denne protokol for yderligere øge realismen i OR-lignende miljø.
Tre-dimensionelle (3D) udskrivning er for nylig blevet en tilgængelige og økonomisk overkommelige midler af replikerende legemsdele til medicinske og kirurgiske uddannelse. Roman 3D udskrivning og molding ved hjælp af syntetiske gelatinøse kaster giver en realistisk hjerne model med Taktile feedback. Denne fremgangsmåde har fordelen at give en deformerbare struktur, der kan udskrives for at gengive en bestemt person cerebral anatomi og er dermed mere anatomisk korrekt end mere generisk modeller42. På den anden side er der stadig betænkeligheder vedrørende stivheden og væv skæring egenskaber af det syntetiske materiale43. I denne forstand giver den dødt model en bredere anatomiske ramme, herunder den komplette stratigrafi, ikke kun hjernen overfladen, selv.
Et alternativ til kirurgisk uddannelse i menneskelig kadavere praktiserende på levende dyr. Implanterer en mikroelektrode array på en primat model, for eksempel en makak-abe, ville reproducere de fleste af funktionerne i den faktiske procedure i en menneskelig patienten, herunder kirurgiske positionering og instrumentation svarende til dem, der anvendes hos mennesker, en gyrencephalic hjernen af en størrelse ikke meget langt fra i et menneske, og tilstedeværelsen af cerebral pulsering samt blod og cerebrospinalvæske cirkulation. Men mens det er acceptabelt at implantere mikroelektrode arrays i aber med henblik på neurovidenskab forskning, ved hjælp af aber udelukkende for kirurgiske uddannelse bredt frarådes, af etiske grunde og på grund af deres meget høje omkostninger. Fordi par neurovidenskab Centre implantat mikroelektrode arrays i aber til forskningsformål, og fordi disse centre bruger få dyr ad gangen (på grund af omkostningerne ved aberne, selv og den lange og arbejdskrævende uddannelse at neurovidenskab forskning med aber generelt indebærer), uddannelse for mikroelektrode array implantation i aber ikke er en mulighed for de fleste kirurger. Ved hjælp af mindre dyr, såsom gnavere og selv katte eller kaniner, ville afvige for meget fra OR-lignende realisme. En potentiel fordel af dyremodeller er at væv healing giver gentage hele proceduren mere end én gang i dyrets levetid. I en menneskelig Kadaver model, kan hele proceduren gentages én gang pr. halvkugle. Når det er sagt, frembyder kraniotomi ikke særlige vanskeligheder til en uddannet neurokirurg. Forudsat at kraniotomi er stor nok, kan de specifikke trin af piedestal fiksering og mikroelektrode positionering og indsættelse gentages så ofte som ønsket i løbet af en given session, giver en tilstrækkelig uddannelse mulighed for mere end en kirurg. Vi mener således, at balsamerede menneskelige kadavere er den mest hensigtsmæssige model at træne kirurger til implantatet mikroelektrode arrays.
Seneste gennembrud i BCI udvikling tyder på, at mikroelektrode arrays kunne repræsentere en klinisk signifikant supplement til de terapeutiske og genoprettende løsninger, der er tilgængelige i dag for patienter med alvorlige motoriske eller kommunikative handicap 11 , 13 , 44. i den nærmeste fremtid, implantation af mikroelektrode arrays kan således blive en nødvendig del af neurokirurger uddannelse. Forbedringer i udformningen af microelectrodes selv, sammen med forbedringer i tilsluttes computeren forarbejdning neuronale signaler (sandsynligvis via trådløse forbindelser), elektroderne vil reducere invasionsevne af mikroelektrode arrays og yderligere at styrke deres brugbarhed for både læger og patienter og deres pårørende.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
Forfatterne har ikke noget at oplyse.
Acknowledgments
Forfatterne er taknemmelig for, at Dr. Rob Franklin (Blackrock Microsystems), Prof. Margitta Seeck (Division of Neurology, Genève universitetshospitaler, Genève, Schweiz), Dr. Andrea Bartoli og Prof. Karl Schaller (Division af Neurokirurgi, Geneve Universitet Hospitaler, Genève, Schweiz), og Mr. Florent Burdin og Prof. John P. Donoghue (Wyss Center for Bio- og Neuroengineering, Genève, Schweiz) for deres støtte ved udarbejdelsen af den nuværende arbejde.
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 |
References
- Campbell, P. K., Jones, K. E., Huber, R. J., Horch, K. W., Normann, R. A. A silicon-based, 3-dimensional neural interface - manufacturing processes for an intracortical electrode array. IEEE Trans. Biomed. Eng. 38 (8), 758-768 (1991).
- Jones, K. E., Campbell, P. K., Normann, R. A. A glass/silicon composite intracortical electrode array. Ann. Biomed. Eng. 20 (4), 423-427 (1992).
- Maynard, E. M., Nordhausen, C. T., Normann, R. A. The Utah Intracortical Electrode Array: A recording structure for potential brain-computer interfaces. Electroencephalogr. Clin. Neurophysiol. 102 (3), 228-239 (1997).
- Csicsvari, J., et al. Massively parallel recording of unit and local field potentials with silicon-based electrodes. J. Neurophysiol. 90 (2), 1314-1314 (2003).
- Kelly, R. C., et al. Comparison of recordings from microelectrode arrays and single electrodes in the visual cortex. J. Neurosci. 27 (2), 261-264 (2007).
- Nordhausen, C. T., Maynard, E. M., Normann, R. A. Single unit recording capabilities of a 100 microelectrode array. Brain Res. 726 (1-2), 129-140 (1996).
- Nordhausen, C. T., Rousche, P. J., Normann, R. A. Optimizing recording capabilities of the Utah Intracortical Electrode Array. Brain Res. 637 (1-2), 27-36 (1994).
- Maynard, E. M., et al. Neuronal interactions improve cortical population coding of movement direction. J. Neurosci. 19 (18), 8083-8093 (1999).
- Serruya, M. D., Hatsopoulos, N. G., Paninski, L., Fellows, M. R., Donoghue, J. P. Instant neural control of a movement signal. Nature. 416 (6877), 141-142 (2002).
- Hochberg, L. R., et al. Neuronal ensemble control of prosthetic devices by a human with tetraplegia. Nature. 442 (7099), 164-171 (2006).
- Hochberg, L. R., et al. Reach and grasp by people with tetraplegia using a neurally controlled robotic arm. Nature. 485 (7398), 372 (2012).
- Simeral, J. D., Kim, S. P., Black, M. J., Donoghue, J. P., Hochberg, L. R. Neural control of cursor trajectory and click by a human with tetraplegia 1000 days after implant of an intracortical microelectrode array. J. Neural Eng. 8 (2), 25027 (2011).
- Jarosiewicz, B., et al. Virtual typing by people with tetraplegia using a self-calibrating intracortical brain-computer interface. Sci. Transl. Med. 7 (313), 313ra179 (2015).
- Seeck, M., Schomer, D. L., Niedermeyer, E. Intracranial Monitoring: Depth, Subdural, and Foramen Ovale Electrodes. Niedermeyer’s Electroencephalogr. , 677-714 (2011).
- Truccolo, W., et al. Single-neuron dynamics in human focal epilepsy. Nat. Neurosci. 14 (5), 635-641 (2011).
- Truccolo, W., et al. Neuronal ensemble synchrony during human focal seizures. J. Neurosci. 34 (30), 9927 (2014).
- Keller, C. J., et al. Heterogeneous neuronal firing patterns during interictal epileptiform discharges in the human cortex. Brain. 133 (Pt 6), 1668-1681 (2010).
- Schevon, C. A., et al. Evidence of an inhibitory restraint of seizure activity in humans. Nat. Commun. 3, 1060 (2012).
- Weiss, S. A., et al. Ictal high frequency oscillations distinguish two types of seizure territories in humans. Brain. 136 (Pt 12), 3796-3808 (2013).
- Cash, S. S., Hochberg, L. R. The Emergence of Single Neurons in Clinical Neurology. Neuron. 86 (1), 79-91 (2015).
- Donoghue, J. P. Bridging the brain to the world: a perspective on neural interface systems. Neuron. 60 (3), 511-521 (2008).
- Hader, W. J., et al. Complications of epilepsy surgery - A systematic review of focal surgical resections and invasive EEG monitoring. Epilepsia. 54 (5), 840-847 (2013).
- Arya, R., Mangano, F. T., Horn, P. S., Holland, K. D., Rose, D. F., Glauser, T. A. Adverse events related to extraoperative invasive EEG monitoring with subdural grid electrodes: A systematic review and meta-analysis. Epilepsia. 54 (5), 828-839 (2013).
- Hayashi, S., et al. History and future of human cadaver preservation for surgical training: from formalin to saturated salt solution method. Anat. Sci. Int. 91 (1), 1-7 (2016).
- Rousche, P. J., Normann, R. A. A method for pneumatically inserting an array of penetrating electrodes into cortical tissue. Ann. Biomed. Eng. 20 (4), 413-422 (1992).
- Waziri, A., Schevon, C. A., Cappell, J., Emerson, R. G., McKhann, G. M., Goodman, R. R. Initial surgical experience with a dense cortical microarray in epileptic patients undergoing craniotomy for subdural electrode implantation. Neurosurgery. 64 (3), 540-545 (2009).
- Yousry, T. A., et al. Localization of the motor hand area to a knob on the precentral gyrus. A new landmark. Brain. 120 (1), 141-157 (1997).
- Tóth, E., Fabó, D., Entz, L., Ulbert, I., Erőss, L. Intracranial neuronal ensemble recordings and analysis in epilepsy. J. Neurosci. Methods. 260, 261-269 (2016).
- Cash, S. S., et al. The human K-complex represents an isolated cortical down-state. Science. 324 (5930), 1084-1087 (2009).
- Olabe, J., Olabe, J., Sancho, V. Human cadaver brain infusion model for neurosurgical training. Surg. Neurol. 72 (6), 700-702 (2009).
- Winer, J. L., et al. Cerebrospinal fluid reconstitution via a perfusion-based cadaveric model: feasibility study demonstrating surgical simulation of neuroendoscopic procedures. J. Neurosurg. 123 (5), 1316-1321 (2015).
- Cardali, S., et al. Microsurgical Anatomic Features of the Olfactory Nerve: Relevance to Olfaction Preservation in the Pterional Approach. Oper. Neurosurg. 57, 17-21 (2005).
- Alvernia, J. E., Pradilla, G., Mertens, P., Lanzino, G., Tamargo, R. J. Latex injection of cadaver heads: technical note. Neurosurgery. 67 (2 Suppl Operative), 362-367 (2010).
- Chowdhury, F. H., et al. Endoscopic endonasal transsphenoidal exposure of circle of Willis (CW); can it be applied in vascular neurosurgery in the near future? A cadaveric study of 26 cases. Turk. Neurosurg. 22 (1), 68-76 (2012).
- Benet, A., Rincon-Torroella, J., Lawton, M. T., González Sánchez, J. J. Novel embalming solution for neurosurgical simulation in cadavers. J. Neurosurg. 120 (5), 1229-1237 (2014).
- Tomlinson, J. E., Yiasemidou, M., Watts, A. L., Roberts, D. J. H., Timothy, J. Cadaveric Spinal Surgery Simulation: A Comparison of Cadaver Types. Glob. spine J. 6 (4), 357-361 (2016).
- Krishnamurthy, S., Powers, S. K. The use of fabric softener in neurosurgical prosections. Neurosurgery. 36 (2), 420-3-4at (1995).
- Hamlyn, P. J. Neurovascular relationships in the posterior cranial fossa, with special reference to trigeminal neuralgia. 1. Review of the literature and development of a new method of vascular injection-filling in cadaveric controls. Clin. Anat. 10 (6), 371-379 (1997).
- Tubbs, R. S., Loukas, M., Shoja, M. M., Wellons, J. C., Cohen-Gadol, A. A. Feasibility of ventricular expansion postmortem: a novel laboratory model for neurosurgical training that simulates intraventricular endoscopic surgery. J. Neurosurg. 111 (6), 1165-1167 (2009).
- Aktas, U., Yilmazlar, S., Ugras, N. Anatomical restrictions in the transsphenoidal, transclival approach to the upper clival region: a cadaveric, anatomic study. J. Craniomaxillofac. Surg. 41 (6), 457-467 (2013).
- Yiasemidou, M., Roberts, D., Glassman, D., Tomlinson, J., Biyani, S., Miskovic, D. A Multispecialty Evaluation of Thiel Cadavers for Surgical Training. World J. Surg. , (2017).
- Ploch, C. C., Mansi, C. S. S. A., Jayamohan, J., Kuhl, E. Using 3D Printing to Create Personalized Brain Models for Neurosurgical Training and Preoperative Planning. World Neurosurg. 90, 668-674 (2016).
- Del Castillo-Calcáneo, J., Donoghue, J. A. A Novel Method for 3-Dimensional Printing a Brain That Feels and Looks Like One: The Next Step in the Search of the Perfect Neurosurgical Simulator. World Neurosurg. 91, 620-622 (2016).
- Martin, S., Millán, J. D. R., Knight, R. T., Pasley, B. N. The use of intracranial recordings to decode human language: Challenges and opportunities. Brain Lang. , (2016).
