Summary
We ontwierpen een procedure waarin een formaldehyde-vaste menselijke cadaver wordt gebruikt bij neurochirurgen in opleiding voor de inplanting van micro-elektrode arrays in de neocortex van het menselijk brein.
Abstract
Dit protocol beschrijft een procedure om het helpen van chirurgen in opleiding voor de inplanting van micro-elektrode arrays in de neocortex van het menselijk brein. Recente technologische vooruitgang heeft de fabricage van micro-elektrode arrays waarmee de opname van de activiteit van meerdere individuele neuronen in de neocortex van het menselijk brein. Deze arrays hebben het potentieel om uniek inzicht op de neuronale correlaten van cerebrale functie bij gezondheid en ziekte. Bovendien, de identificatie en decodering van bewuste Neuronale activiteit opent de mogelijkheid om vast te stellen van de hersenen-computer interfaces, en dus kunnen helpen herstellen van verloren neurologische functies. De implantatie van neocortical micro-elektrode arrays is een invasieve procedure vereisen een supra-centimetric craniotomy en de blootstelling van de corticale oppervlak; Dus, de procedure moet worden uitgevoerd door een adequaat geschoolde neurochirurg. Om de gelegenheid voor chirurgische opleiding bieden, ontwierpen we een procedure gebaseerd op het model van een menselijk kadaver. Het gebruik van een formaldehyde-vaste menselijke cadaver mijdt de praktische, ethische en financiële problemen van chirurgische praktijk op dieren (vooral niet-menselijke primaten) met behoud van de macroscopische structuur van het hoofd, de schedel, de hersenvliezen en cerebrale oppervlak en waardoor realistische, operatiekamer-achtige positionering en instrumentatie. Bovendien is het gebruik van een menselijk kadaver dichter bij klinische praktijk dan ieder niet-menselijke model. De grote nadelen van de dode foetussen simulatie zijn het ontbreken van cerebrale pulsatie en bloeds-en cerebrospinaal vocht. Wij stellen voor dat een menselijk kadaver formaldehyde-fixed-model een adequate, praktische en rendabele aanpak om ervoor te zorgen de juiste chirurgische opleiding is vóór het implanteren van micro-elektrode matrices in de levende menselijke neocortex.
Introduction
Afgelopen jaren is de ontwikkeling van technologische oplossingen op de uitdaging van de opname van de activiteit van meerdere individuele neuronen in de woonkamer brain1,2,3. Silicium gebaseerde micro-elektrode matrices uitvoeren op dezelfde manier naar conventionele draad microelectrodes in termen van eigenschappen van het signaal, en ze kunnen opnemen van tientallen tot honderden neuronen in een kleine patch van cerebrale weefsel4,5, 6 , 7. micro-elektrode matrices hebben wetenschappers om de correspondentie tussen neurale activiteit in de primaire motorische cortex van apen en arm bewegingen8, die op zijn beurt heeft een impuls aan de ontwikkeling van de hersenen-computer toegestaan interfaces (BCIs)9.
Micro-elektrode matrices zijn gebruikt bij de mens in twee situaties: als chronische implantaten te controleren BCIs en semi-chronische implantaten te bestuderen van de activiteiten van individuele neuronen in patiënten die lijden aan epilepsie. Chronische implantaten, gericht op de functionele vertegenwoordiging van de hand in de primaire motorische cortex, hadden de patiënten die lijden aan tetraplegie om controle van de beweging van een robotachtig wapen of computer cursors10,11,12 ,,13. Semi-chronische implantaten, ingevoegd samen met subduraal electrocorticography (ECOG) elektroden bij patiënten met resistente epilepsie die kandidaat zijn voor epilepsie chirurgie14, toestaan één-eenheid opnames vóór, tijdens en na de vangsten, en zijn begonnen om licht te werpen op de activiteit van één neuronen tijdens en tussen de epileptische aanvallen15,16,17,18,19. Micro-elektrode matrices hebben het potentieel om ons begrip van de werking van de hersenen door de oprichting van een verband tussen de activiteit van neuronen, enerzijds, en de percepties, de bewegingen en de gedachten van de mens, zowel in gezondheid aanzienlijk te verbeteren ziekte, op de andere20,-21.
Silicium gebaseerde micro-elektrode arrays zijn nu commercieel beschikbaar en hun gebruik bij de mens is goedgekeurd door de regelgevende instanties in de VS in de semi-chronische epilepsie-indicatie. Echter, deze apparaten zijn invasief en moeten worden ingevoegd in de hersenen. De negatieve gevolgen van ongepaste invoeging techniek, na het mislukken van het apparaat naar record Neuronale activiteit, omvatten hersenbloeding en besmetting, met de mogelijkheden voor langdurige of permanente neurologische dysfunctie. Hoewel het tempo van complicatie van de micro-elektrode matrix implantatie momenteel onbekend is, is het aantal potentieel ernstige complicaties tijdens de inplanting van intracraniële elektro-encefalografie (EEG) macroelectrodes 1-5%22, 23. de juiste inplanting van micro-elektrode arrays vereist daarom zowel de uitgebreide neurochirurgische vaardigheden en de procedure-specifieke opleidingen.
De benaderingen beschikbaar voor chirurgen te slijpen hun vaardigheden met micro-elektrode arrays in een veilige omgeving zijn niet-menselijke zoogdieren en menselijke kadavers. De ideale training model zou getrouwe afspiegeling van de grootte en de dikte van de menselijke schedel; de taaiheid en vasculaire restanten van de dura; het gyrification patroon, de consistentie en de pulsatie van het menselijk brein; de aanwezigheid van het circulerende bloed en hersenvocht; en de globale positionering van het onderwerp in een operatiekamer (OR)-als milieu. Aldus, moeten dierlijke modellen een groot genoeg om een betekenisvolle ervaring aan de chirurgen. Grote niet-menselijke primaten komen dichtst, maar het gebruik ervan voor chirurgische opleiding is onhoudbaar zowel vanuit een ethisch perspectief en omdat ze duur zijn. Knaagdieren Voer niet aanmerking vanwege het kleine formaat; met behulp van zelfs katten of konijnen impliceert aanzienlijk afwijken van een OR-achtige omgeving.
Menselijke kadavers vertegenwoordigen een aantrekkelijk alternatief. Hun voordelen omvatten de levensechte grootte en vorm van het hoofd en de hersenen en de mogelijkheid van het instellen van chirurgische opleiding in een OR-achtige omgeving. De meest voor de hand liggende afwijkingen van een realistische situatie zijn het ontbreken van cerebrale pulsaties en bloeden en de wijzigingen in het aspect en de consistentie van de weefsels van het lichaam die specifiek voor de techniek werkzaam voor cadaver behoud24 zijn. Versbevroren kadavers behouden de samenhang en de flexibiliteit van vele organen en weefsels tot op zekere hoogte, maar ze hebben verschillende nadelen: ze beginnen zodra ontdooien vernederende begint, zodat de hersenen wordt ook gedegradeerd voor het inbrengen van een micro-elektrode matrix realistisch worden uitgevoerd, en ze zijn een bron van relatief zeldzaam en duur. Formaldehyde-vaste kadavers, aan de andere kant, zijn meer betaalbaar en beschikbaar en veel duurzamer, ten koste van gehard weefsel consistentie.
Hier stellen wij een procedure met behulp van een menselijk kadaver formaldehyde-vaste model voor een neurochirurgische scholing van de implantatie van een neocortical micro-elektrode-array. Onze aanpak maakt het mogelijk realistische, OR-achtige positionering en instrumentatie; uitvoeren van craniotomy en durotomy en het ontmaskeren van het neocortical oppervlak; de elektrode sokkel verbonden tot op het bot van de schedel naburige van de craniotomy; en de micro-elektrode array invoegen in de neocortex met een pneumatische botslichaam25. Kritisch, hierdoor chirurgen om de praktijk van de nauwkeurige uitlijning van de micro-elektrode-matrix (die is aangesloten op het voetstuk van de elektrode door een bundel van individueel geïsoleerde gouden draden) parallel aan de neocortical oppervlakte26. Ons protocol repliceert getrouw de vermelding van micro-elektrode matrix implantatie samen met ECOG implantatie bij patiënten die kandidaat zijn voor epilepsie chirurgie. De bijzonderheden van de implantatie operatie worden aanzienlijk beïnvloed door het exacte type micro-elektrode array; Hier beschrijven we de procedure voor een matrix die onlangs wettelijke goedkeuring voor gebruik bij de mens in de Verenigde Staten ontvangen. De zogenaamde Utah matrix bestaat uit een 4 x 4 mm, 100 micro-elektrode grid; een transkutane voetstuk dat is gekoppeld aan de externe tabel van de schedel; en een bundel draad aansluiten van de twee.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
Het menselijk kadaver gebruikt in dit werk werd verstrekt in het kader van lichaam donaties voor medisch onderwijs. Geïnformeerde toestemming voor orgaan donatie is op schrijven gedurende de looptijd van de donor verkregen. Volgens de wetten van de federale en kantonnale was geen toetsing door een ethische Commissie noodzakelijk.
Opmerking: Dit protocol wordt ervan uitgegaan dat de personen die de praktijk operatie neurochirurgen met opleiding en de deskundigheid in de neurochirurgische standaardprocedures, met inbegrip van patiënt positionering en hoofd fixatie, craniotomy en durotomy, en wordt. Naast de gereedschappen en werktuigen die specifiek zijn voor de micro-elektrode-matrix, worden neurochirurgische standaardhulpmiddelen en apparatuur gebruikt.
1. selectie van de cadaver en de installatie van de operatiekamer
- Selecteer een exemplaar met geen geschiedenis van de ziekte of letsel aan het hoofd, de schedel en de hersenen.
- Optioneel, het uitvoeren van een computertomografie (CT) scan van het stoffelijk overschot van hoofd om ervoor te zorgen dat er geen significante intracraniële laesies (figuur 1A), bijvoorbeeld chronische Subduraal hematoom of een intra axiale expansieve laesie. De CT-scan, vast te stellen welke een corticale doelgebied voor de inplanting van de matrix met micro-elektrode (bijvoorbeeld het gebied van de "hand knop" voor de precentral gyrus, overeenkomt met de vertegenwoordiging van de hand in de primaire motorische cortex27, in het geval van opleiding voor de inplanting van een BCI).
- Positie cadaver in laterale decubitus op een operatietafel. Gebruik een operatietafel plaats een dissectie tabel wilt toevoegen aan het realisme van de OR-achtige omgeving en bevordert de fixatie van de schedel klem en pneumatische botslichaam. Plaats het stoffelijk overschot in laterale decubitus zodat de fronto-temporele aanpak in een formaldehyde-vaste cadaver, in wie de rotatie van de nek beperkt is.
- Corrigeer het hoofd in de schedel klem (figuur 1B). Bedek met afdeklakens (Figuur 1 c).
Opmerking: In ons geval de achterste pennen van schedel klem zijn ongewoon gepositioneerd in het sagittale vlak van het hoofd (Zie figuur 1B), omdat we gewend een schedel-klem, die had zijn gewijzigd voor chirurgische opleidingsdoeleinden te houden een dode foetussen hoofd gescheiden van de rest van het lichaam.- Als u een standaard schedel klem op een operatietafel, plaatst de achterste pennen beveiligen het hoofd loodrecht op het sagittale vlak.
2. blootstelling van het neocortical oppervlak
- Incise de hoofdhuid met behulp van een scalpel, na een vraagteken ingesneden bloot de stoffelijke en frontale botten. De musculus temporalis langs de posterieure zijde van de incisie ontleden. Rusten de hoofdhuid en temporalis spier door botte dissectie (Figuur 1 d).
- Voer een groot vierkant fronto-temporele craniotomy, bijvoorbeeld 5 x 5 cm (figuur 2A). Voor dat doel, boorgaten vier burr op de hoeken van de beoogde craniotomy. Gebruik vervolgens de craniotome om verbinding te maken met de burr gaten. Verwijder de klep van de bot met behulp van een spatel, de dura mater bloot. Bewaar de bot-klep in zoutoplossing.
- Open de dura mater aan drie zijden van de craniotomy met behulp van dura schaar (figuur 2B). Het rusten en bloot de arachnoideavilli membraan en het oppervlak van de cerebrale neocortex (figuur 2C).
3. fixatie van de elektrode sokkel
- Selecteer een corticale gyrus waar de micro-elektrode array zal worden geïmplanteerd. Selecteer een is oppervlak dat is ongeveer plat zodat de matrix met micro-elektrode zal liggen gelijk met het wanneer ingevoegd. Zorg ervoor dat er geen zichtbare bloedvat coursing op de corticale oppervlak waar de micro-elektrode-matrix wordt ingevoegd.
- Selecteer een site voor de fixatie van de sokkel van de elektrode op de superieure rand van de craniotomy, dicht bij de huid incisie, en het toestaan van voldoende speling voor de bundel van de draad zodat de micro-elektrode-matrix de gyrus doel kan bereiken. Schroef de sokkel op de externe tabel van het bot van de schedel naast de craniotomy (figuur 2D). Gebruik van 6 tot en met 8 zelf onttrekken corticale botschroeven (6 mm lengte, 2 mm doorsnede) om de juiste fixatie.
- Bij het bewerken van de sokkel, altijd voor zorgen dat de matrix met micro-elektrode niet niets (het mogelijk beschadigd of kan het neocortical oppervlak lacerate aanraken doet) door het ingedrukt houden van de bundel van de draad dicht bij de matrix met micro-elektrode met een pincet met kunststof - of rubber beklede tips (figuur 2E).
4. positionering en inbrengen van de matrix met micro-elektrode
- Positie van de micro-elektrode matrix parallel met het oppervlak van de gyrus doel. Buig de draad bundel zo nodig voor dat doel (figuur 3A).
Opmerking: De stijve draad bundel gemakkelijk voldoet niet aan de wensen van de chirurg. Zorg en geduld vereist zijn voor het verkrijgen van goede uitlijning van de micro-elektrode array en corticale oppervlak.- Gebruik eventueel "hond-been" titanium riemen zijn koers naar het doel gyrus te beveiligen de bundel draad op de schedel. Niet schroef de riem te strak om te voorkomen beschadiging van de bundel draad.
- De pneumatische botslichaam brengen bij benadering van de aanpassing aan de achterkant van de matrix met micro-elektrode (figuur 3B). Controle van de verbindingen van de pneumatische botslichaam naar de vak van het besturingselement en schakel op de control box.
Opmerking: Zorg ervoor dat het pneumatische botslichaam minstens 5 mm uit de buurt van de array is alvorens de control box op, zoals de pneumatische botslichaam kan worden gestart wanneer eerst ingeschakeld. - Gebruik de millimeter schroeven van de pneumatische botslichaam houder aan het verfijnen van het botslichaam uitlijning met de achterkant van de micro-elektrode-matrix (figuur 3Binzet). Met behulp van het botslichaam, een excursie afstand - en druk-gecontroleerde kraan van toepassing op de achterkant van de micro-elektrode-array en plaatst u deze in de corticale oppervlak, duwen door de arachnoideavilli membraan.
Opmerking: Controleer of de matrix met micro-elektrode spoelen met de corticale oppervlak is.
5. plaatsing van het subduraal ECOG raster
Opmerking: Deze stap is optioneel.
- Plaats een subduraal ECOG raster op het blootgestelde oppervlak van corticale (figuur 3D). Indien nodig verwijderen elektroden door het snijden door middel van het raster zodat de algehele vorm van de ECOG raster de craniotomy past.
- Oriënteren de ECOG raster zodat de draden de dura mater en de schedel superiorly of posteriorly verlaten zal.
- Bevloeiing van de ECOG raster met zoutoplossing alvorens het in contact met de corticale oppervlak te plaatsen.
- Beveilig de ECOG grid door wordt het aan de dura mater aan de randen van de durotomy.
6. herpositionering en sluiting van de dura mater bot klep en de klep van de huid
- Weerspiegelen de dura mater terug over de blootgestelde corticale oppervlak en het suture aan de randen van de durotomy.
- Schroef "hond-been" titanium bandjes op de randen van de klep van de bot met behulp van zelf tappen corticale botschroeven. Verplaats de bot klep binnen de craniotomy. Beveilig de bot klep naar aangrenzende botten van de schedel met de "hond-been" titanium bandjes en zelf tappen corticale botschroeven. Wees voorzichtig niet te verpletteren de bundel van de draad van de matrix met micro-elektrode (en die van de optionele ECOG raster) tussen de randen van het bot.
- Weerspiegelen en suture van de klep van de huid. Sluit de insnijding van de huid rond de hals van de elektrode sokkel (figuur 3E).
- Alternatief, kunnen de sokkel aan egress van de hoofdhuid via een aparte steek incisie gemaakt in de klep van de hoofdhuid.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
Ons protocol maakt gebruik van het model van een menselijk kadaver formaldehyde-gefixeerd zodat chirurgen om de praktijk van de chirurgische procedure voor het implanteren van een matrix met micro-elektrode in de cerebrale neocortex in een realistische, OR-achtige omgeving. De optie voor het uitvoeren van post mortem neuroimaging, zoals hoofd CT, zal bevestigen het ontbreken van elke significante intracraniële laesies (figuur 1A) en kan helpen met de selectie van de implantatie-site. Werken met een volledige exemplaar en instellen voor chirurgie op een operatietafel verhoogt het realisme van de opleiding procedure (figuur 1B-1 C). Hoewel formaldehyde fixatie enigszins de kleur, de textuur en de stijfheid van de lichaamsweefsels verandert, kan elke stap van de chirurgische procedure bloot de neocortical oppervlakte (huid incisie, craniotomy en durotomy) te gemakkelijk worden uitgevoerd volgens norm neurochirurgische praktijk (Figuur 1 d en figuur 2A-2 C).
De stappen van de chirurgische procedure die specifiek voor de micro-elektrode array zijn gaan zeer ook met de in vivo situatie. De eerste stap bestaat uit de schroeven op de sokkel van de elektrode tot op het bot van de schedel in de buurt van de craniotomy ( figuur 2D-2E). Brengen van de array micro-elektrode in de aanpassing aan het neocortical oppervlak is één van de meest delicate stappen van de procedure (figuur 3A)26. De plaatsing en de werking van de pneumatische botslichaam worden ook uitgevoerd op realistische wijze (figuur 3B). Onze opleiding protocol biedt volop gelegenheid voor chirurgen om te experimenteren met deze cruciale stappen. Een vertrek van levensecht realisme is het ontbreken van cerebrale pulsatie in een cadaver model (de lichte opwaartse en neerwaartse bewegingen van het blootgestelde oppervlak van neocortical door de hartslag en ademhaling veroorzaakt). Niettemin, het eindresultaat van de opleiding protocol (Figuur 3 c-3E) nauw reproduceert de real-life situatie26.
Als uitgevoerd door twee chirurgen, is minder dan 30 minuten, als ook door anderen is gerapporteerd in de gemiddelde operatieve tijd voor micro-elektrode matrix implantatie26.
Figuur 1 . Opzetten van de operatiekamer-achtige omgeving. (A) hoofd CT scan kan bevestigen het ontbreken van elke significante intracraniële laesies. (B) positie het hoofd in de schedel klem. (C) Gordijn het hoofd. Van het specimen neus is rechts van de afbeelding, het achterhoofd aan de linkerkant. (D) Incise en hoofdhuid en temporalis spier rusten. Klik hier voor een grotere versie van dit cijfer.
Figuur 2 . Bloot het neocortical oppervlak en ontkoppelen van de elektrode sokkel. (A) uitvoeren een grote vierkante craniotomy. (B) het uitvoeren van durotomy. (C) weerspiegelen de dura mater en bloot de neocortical oppervlakte. (D) schroef het voetstuk van de elektrode tot op het bot van de schedel in de buurt van de rand van de craniotomy (inzet: close-up op de vastlegging van de sokkel met botschroeven). (E) houden de matrix van de fragiele micro-elektrode met een pincet om schade van ongewenste contact te vermijden. Klik hier voor een grotere versie van dit cijfer.
Figuur 3 . Positionering en het invoegen van de micro-elektrode array. (A) bocht de draad bundel om de matrix met micro-elektrode in de aanpassing aan de corticale oppervlak (inzet: close-up op de uitlijning van de micro-elektrode matrix en de cortex). (B) brengt de pneumatische botslichaam in de aanpassing aan de achterkant van de matrix met micro-elektrode (inzet: close-up op de uitlijning van het botslichaam en micro-elektrode matrix). (C) overzicht van de micro-elektrode matrix, wire bundel en elektrode voetstuk. (D) positie ECOG raster over de corticale oppervlak. (E) dicht huid rond de hals van de elektrode sokkel. Klik hier voor een grotere versie van dit cijfer.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
De formaldehyde-vaste menselijke cadaver-model en de chirurgische protocol beschreven hier repliceren de chirurgische procedure voor het implanteren van micro-elektrode matrices in de menselijke cerebrale neocortex. Elke stap van de procedure, met inbegrip van de positionering van de micro-elektrode-array en de invoegpositie met de pneumatische inserter, ga op bijna dezelfde manier als in een levensechte patiënt, met de uitzondering dat cerebrale pulsatie en omloop afwezig zijn. De kritische stappen in het protocol zijn de uitlijning van de matrix met micro-elektrode met het neocortical oppervlak en zijn impactie in de cortex die met behulp van de pneumatische inserter. Zorg moet worden genomen tot de onderlinge aanpassing van de matrix als parallel loopt met de corticale vlak mogelijk. In het geval kan dat de matrix niet gelijk met het neocortical oppervlak na de eerste tik van de pneumatische inserter ligt, één extra kraan geleverd worden. Gedurende de hele procedure, moet de matrix met micro-elektrode worden beschermd tegen mechanische schade. In het geval van inplanting in een mens patiënten in klinische omstandigheden, als er zichtbare schade aan de microelectrodes, een bundel of een connector, de matrix moet worden weggegooid en een ander gebruikt.
De Utah array is momenteel de alleen neocortical micro-elektrode-matrix die heeft ontvangen wettelijke goedkeuring voor gebruik bij de mens. Echter andere soorten microelectrodes zijn ontwikkeld in dieren en in mensen binnen28projecten specifiek onderzoek mogen worden gebruikt. Elke benadering heeft zijn eigen voor- en nadelen, meestal met betrekking tot het ontwerp van de elektroden. Bijvoorbeeld, vereist de techniek van de ballistische invoeging van de matrix van Utah, die werd ontwikkeld uit noodzaak25, dat de matrix precies worden afgestemd op de corticale oppervlak; deze eis geldt niet noodzakelijkerwijs voor andere microelectrodes, die zachtjes in de grijze massa kunnen worden geduwd. Sommige elektroden verlenen toegang tot de activiteit van alle corticale lagen29, overwegende dat de Utah matrix monsters van neuronen op een enkele, vooraf bepaalde diepte. Een van de grote voordelen van de Utah matrix is het grote aantal neuronen die kunnen worden opgenomen tegelijk, waardoor het met name geschikt voor motor BCIs11.
Voor neurochirurgische laboratorium opleidingen, worden dode foetussen specimens beschouwd als modellen van hoge waarde, waardoor haptische feedback in een omgeving die specifiek menselijke anatomie30,31te presenteren. Er bestaat geen universele cadaver model, echter, en de balseming techniek moet worden aangepast aan elke procedure van doelstellingen: zachte weefsels (zoals de hoofdhuid) van belang, of liever gezegd zijn de botten, dura mater, schors, ventrikels of bloedvaten32, 33,34,35,,36? Vers of vers bevroren exemplaren (cryopreserved), dragen hoewel vaak beschouwd als het beste model voor een verscheidenheid van chirurgische ingrepen, het risico van overdracht van besmettelijke ziekten. Bovendien, ze hebben een zeer beperkte werktijd vanwege snel bederf31,37,38,39, gevolgd door verminderde weefsel compliance, ventriculaire ineenstorting en pneumocephalus 35. in het geval van ons protocol, behoud van een ietwat stevige corticale ondergrond was een vereiste om de invoeging van de micro-elektrode matrix, aldus zich verzet tegen het gebruik van een specimen vers bevroren. Balsemen oplossingen bieden op lange termijn fixeer en kiemdodende eigenschappen zijn ook algemeen aanvaarde30,33,35,,40. Kadavers gebalsemd volgens de fixatie van Thiel zijn hoog aangeschreven in termen van weke consistentie en voor de ontwikkeling van de fasciaal of internervous vlakken36, maar het behoud van de hersenen wordt beschouwd als het gebrek aan realisme41. Formaldehyde gebaseerde fixatie veroorzaakt weefsel verstijving en intrekking en verkleuring35,36,,37. Echter formaldehyde fixatie is algemeen beschikbaar en betaalbaar, en formaldehyde-vaste kadavers zijn zeer duurzaam. In de context gepresenteerd in deze paper wordt bleek de verharding van de zachte weefsels veroorzaakt door formaldehyde fixatie, terwijl ze een nadeel voor vele chirurgische opleidingen (met name voor de aanpak van de orthopedische), te zijn een passend model, presenteren een stabiele, maar niet te rigide oppervlak van de hersenen, waardoor een realistische toepassing van de corticale micro-elektrode-array op de postmortem hersenen. Technieken zijn ontwikkeld om te simuleren de circulatie van bloed en hersenvocht in formaldehyde-vaste kadavers30,31,39 en kunnen als aanvulling op het huidige protocol ter bevordering van Verhoog het realisme van de OR-achtige omgeving.
Drie-dimensionale (3D) afdrukken geworden onlangs een toegankelijke en betaalbare middelen voor het repliceren van lichaamsdelen voor medische en chirurgische onderwijs. Nieuwe 3D printen en molding met behulp van synthetische gelatine-achtige afgietsels biedt een realistische hersenen model met tastbaar terugkoppelt. Deze aanpak heeft het voordeel dat een vervormbare structuur die kan worden afgedrukt voor het reproduceren van een bepaalde persoon cerebrale anatomie en is dus anatomisch meer nauwkeurig dan meer generieke modellen42. Aan de andere kant, zijn er nog bezwaren de stijfheid en de eigenschappen voor het snijden van weefsel van het synthetische materiaal43. In deze zin geeft de dode foetussen model een breder anatomische kader, met inbegrip van de volledige stratigrafie, niet alleen in het geval van de hersenen-oppervlak zelf.
Een alternatief voor chirurgische opleiding op menselijke kadavers is beoefenen op levende dieren. Implanteren van een micro-elektrode-array op een primate model, bijvoorbeeld een makaak monkey, zou het reproduceren van de meeste functies van de werkelijke procedure in een menselijke patiënt, met inbegrip van chirurgische positionering en instrumentatie gelijk aan die bij de mens, een de hersenen van de gyrencephalic van een grootte niet erg ver van die van een mens, en de aanwezigheid van cerebrale pulsatie, alsmede de bloeds-en cerebrospinaal vocht. Echter terwijl het is acceptabel om het implantaat micro-elektrode arrays in apen met het oog op onderzoek neurowetenschap, wordt apen uitsluitend voor chirurgische training gebruikt sterk afgeraden, om ethische redenen en wegens hun zeer hoge kosten. Omdat enkele centra van de neurowetenschappen implantaat micro-elektrode arrays in apen voor onderzoeksdoeleinden, en omdat deze centra paar dieren tegelijk (als gevolg van de kosten van de apen zelf en de lange en arbeidsintensief opleiding dat onderzoek neurowetenschap gebruiken met apen in het algemeen met zich meebrengt), opleiding voor micro-elektrode matrix implantatie bij apen geen alternatief voor de meeste chirurgen is. Met behulp van kleinere dieren zoals knaagdieren en zelfs katten of konijnen, zou teveel van OR-achtige realisme vertrekken. Een potentiële voordeel van diermodellen is dat weefsel genezing mogelijk maakt de hele procedure meerdere keren herhalen gedurende de levensduur van het dier. In het model van een menselijk kadaver, kan de gehele procedure worden herhaald eenmaal per halfrond. Dat gezegd zijnde, aanwezig craniotomy niet is een bijzondere moeilijkheid om een opgeleide neurochirurg. Mits de craniotomy groot genoeg is, kunnen de specifieke stappen van voetstuk fixatie en micro-elektrode plaatsing en inbrengen herhaald worden zo vaak als gewenst tijdens een bepaalde sessie, de mogelijkheid van een adequate opleiding voor meer dan één chirurg bieden. Wij denken dus dat gebalsemde menselijke kadavers het meest geschikte model zijn te trainen chirurgen aan het implantaat micro-elektrode matrices.
Recente doorbraken in BCI ontwikkeling suggereren dat micro-elektrode matrices kunnen vertegenwoordigen een klinisch significante toevoeging aan de therapeutische- en herstelmaatregelen oplossingen die die vandaag beschikbaar zijn voor patiënten met ernstige motor of communicatieve handicaps zijn 11 , 13 , 44. in de nabije toekomst, de inplanting van micro-elektrode arrays kan verworden tot een vereist deel vormen van de opleiding van neurochirurgen. Verbeteringen in het ontwerp van de microelectrodes zelf, samen met verbeteringen in de elektroden verbinden met de computer verwerking van neuronale signalen (waarschijnlijk via draadloze verbindingen), zal het verminderen van de invasiviteit van micro-elektrode arrays en verder het verbeteren van de bruikbaarheid voor zowel de artsen en de patiënten en hun verzorgers.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
De auteurs hebben niets te onthullen.
Acknowledgments
De auteurs zijn dankbaar Dr. Rob Franklin (Blackrock Microsystems), Seeck (divisie van Neurologie, Genève universitaire ziekenhuizen, Genève, Zwitserland), Margitta Prof. Dr. Andrea Bartoli en Prof. Karl Schaller (divisie van Neurochirurgie, Universiteit van Genève Ziekenhuizen, Genève, Zwitserland), en de heer Florent Burdin en Prof. John P. Donoghue (Wyss centrum voor Bio- en Neuroengineering, Genève, Zwitserland) voor hun steun bij de voorbereiding van het huidige werk.
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).
