Summary
Vi utformade ett förfarande där en formaldehyd-fast mänskliga cadaver används för att bistå neurokirurger utbildning för implantation av mikroelektrod matriser i hjärnbarken i den mänskliga hjärnan.
Abstract
Det här protokollet beskriver en procedur för att hjälpa kirurger under utbildning för implantation av mikroelektrod matriser i hjärnbarken i den mänskliga hjärnan. Senaste tekniska framsteg har gjort tillverkning av mikroelektrod matriser som tillåter inspelning aktiviteten av flera enskilda nervceller i hjärnbarken i den mänskliga hjärnan. Dessa matriser har potential att få unik insikt på de neuronala korrelat till cerebral funktion vid hälsa och sjukdom. Dessutom identifiering och avkodning av viljande neuronal aktivitet öppnar möjligheten att upprätta hjärna-dator gränssnitt, och därmed kan bidra till att återställa förlorade neurologiska funktioner. Implantation av hjärnbarkens mikroelektrod arrayer är en invasiv förfarande som kräver en supra-centimetric kraniotomi och exponeringen av kortikala ytan; förfarandet måste således utföras av en adekvat utbildad neurokirurg. För att ge en möjlighet för kirurgisk träning har utformat vi ett förfarande baserat på en human cadaver modell. Användning av en formaldehyd-fast mänskliga cadaver kringgår de praktiska, etiska och ekonomiska svårigheterna av kirurgisk praxis på djur (särskilt icke-mänskliga primater) medan bevara makroskopisk struktur av huvud, skalle, hjärnhinnor och cerebral yta och gör att realistiska, operationssalen-liknande positionering och instrumentation. Dessutom är användningen av en mänsklig cadaver närmare klinisk daglig praxis än någon icke-mänskliga modell. De stora nackdelarna med den avlidna simuleringen är avsaknaden av cerebral pulsering och blod-och cerebrospinalvätska. Vi föreslår att formaldehyd-fast mänskliga cadaver modell är ett adekvat, praktiska och kostnadseffektiva tillvägagångssätt att säkerställa lämplig kirurgisk utbildning innan implantera mikroelektrod matriser i levande mänskliga hjärnbarken.
Introduction
Senaste åren har sett utvecklingen av tekniska lösningar på utmaningen att registrera aktiviteten av flera enskilda nervceller i levande hjärnan1,2,3. Kiselbaserade mikroelektrod matriser utför samma sätt att konventionella tråd mikroelektroder i termer av egenskaper signal, och de kan spela in från tiotals till hundratals nervceller i en liten lapp av cerebral vävnad4,5, 6 , 7. mikroelektrod matriser har låtit forskarna att upprätta korrespondensen mellan neural aktivitet i primära motoriska cortex av apor och arm rörelser8, som i sin tur har lämnat ett uppsving för utvecklingen av hjärna-dator gränssnitt (BCIs)9.
Mikroelektrod matriser har använts i människor i två situationer: som kronisk implantat styra BCIs och subkronisk implantat att studera aktiviteten av enskilda nervceller hos patienter som lider av epilepsi. Kronisk implantat, inriktning funktionella framställningen av handen i primära motoriska cortex, låtit patienter med tetraplegi till förflyttningar av en robotarm eller dator markörer10,11,12 ,13. Subkronisk implantat, infogas tillsammans med subdural electrocorticography (ECOG) elektroderna hos patienter med läkemedelsresistent epilepsi som är kandidater för epilepsi kirurgi14, tillåta enstaka inspelningar före, under och efter anfall, och har börjat belysa aktiviteten av enstaka nervceller under och mellan epileptiska anfall15,16,17,18,19. Mikroelektrod matriser har potential att avsevärt förbättra vår förståelse för hur hjärnan fungerar genom att upprätta en länk mellan aktiviteten hos nervceller, dels, och uppfattningar, rörelser och tankar av människor, såväl i hälsa sjukdom, på andra20,21.
Kiselbaserade mikroelektrod matriser finns nu kommersiellt och deras användning på människa har godkänts av tillsynsmyndigheterna i USA i indikationen subkronisk epilepsi. Men dessa enheter är invasiva och måste sättas in i hjärnan. De negativa konsekvenserna av felaktig isättning teknik, utöver fel på enheten för att spela in neuronal aktivitet, inkluderar hjärnblödning och infektion, med potential för långvarig eller permanent neurologisk dysfunktion. Även om andelen komplikation av mikroelektrod array implantation är för närvarande okänd, är potentiellt allvarliga komplikationer under implantation av intrakraniell elektroencefalografi (EEG) macroelectrodes 1-5%22, 23. korrekt implantation av mikroelektrod matriser kräver därför både omfattande Neurokirurgiska kompetens och procedur-specifika utbildning.
Metoderna som är tillgängliga för kirurger att finslipa sina färdigheter med mikroelektrod matriser i en trygg miljö inkluderar icke-mänskliga däggdjur och mänskliga kadaver. Den idealiska utbildningsmodell skulle återge storlek och tjocklek av mänsklig skalle; den seghet och vaskulär förgrening av dura; gyrification mönster, konsekvens och pulsering av den mänskliga hjärnan; förekomsten av cirkulerande blod och cerebrospinalvätska; och övergripande placeringen av motivet i ett operationsrum (OR)-liknande miljö. Således, djurmodeller måste vara av en tillräcklig storlek för att ge en meningsfull upplevelse till kirurger. Stora icke-mänskliga primater kommit närmast, men deras användning för kirurgisk träning är ohållbar både ur etiskt perspektiv och eftersom de är dyra. Gnagare anger inte ersättning på grund av deras ringa storlek; använder även katter eller kaniner innebär avvika betydligt från en OR-liknande miljö.
Mänskliga kadaver utgör ett attraktivt alternativ. Deras fördelar är liv-liknande storleken och formen på huvudet och hjärnan och möjligheten att ställa in kirurgisk träning i OR-liknande miljö. De mest uppenbara avgångar från en realistisk situation är avsaknad av cerebral pulsationer och blödning och ändringarna i den aspekten och konsistens av kroppens vävnader som är specifika för den teknik som används för cadaver bevarande24. Färskfryst kadaver bevara enhetlighet och flexibiliteten i många organ och vävnader i viss utsträckning, men de har flera nackdelar: de börjar förnedrande så snart upptining börjar, så att hjärnan blir också förstörd för införande av en mikroelektrod array utföras realistiskt, och de är relativt sällsynta och dyra resurser. Formaldehyd-fasta kadaver, däremot, är mer överkomliga och tillgängliga och mycket mer hållbara, på bekostnad av härdade vävnad konsistens.
Här, fastställa vi ett förfarande som använder en modell som formaldehyd-fast mänskliga cadaver Neurokirurgiska utbildning för implantation av en hjärnbarkens mikroelektrod array. Vår strategi tillåter realistiska, OR-liknande positionering och instrumentation; utföra kraniotomi och durotomy och utsätta hjärnbarkens ytan; fästa elektrod sockeln till skallbenet angränsande kraniotomi; och infoga mikroelektrod matrisen i hjärnbarken med en pneumatisk Slaganordningen25. Kritiskt, det gör att kirurger att öva precisa anpassningen av mikroelektrod matrisen (som kopplas till elektroden piedestal med en bunt av individuellt isolerade guld trådar) parallellt med den hjärnbarkens yta26. Våra protokoll replikerar troget indikeringen av mikroelektrod array implantation tillsammans med ECOG implanteras i patienter som är kandidater för epilepsi kirurgi. Uppgifter om implantation kirurgi påverkas avsevärt av den exakta typen av mikroelektrod vektorn; Här beskriver vi proceduren för en matris som nyligen fått godkännande för användning i människor i USA. Så kallade Utah matrisen består av en 4 x 4 mm, 100 mikroelektrod rutnät. en transkutan piedestal som är kopplad till den externa tabellen av skallen; och en tråd bunt ansluta två.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
Den mänskliga kadaver som används i detta arbete var som tillhandahålls inom ramen för kroppen donationer för medicinsk pedagogik. Informerat samtycke för organ donation erhölls skriftligt under givarens livstid. I enlighet med federal och kantonal lagstiftning krävdes ingen granskning av en etisk kommitté.
Obs: Detta protokoll förutsätter att de personer som utför praktiken operationen är neurokirurger med utbildning och kompetens inom Neurokirurgiska standardprocedurer, inklusive patientens positionering och huvud fixering, kraniotomi och durotomy, och suturering. Utöver de verktyg och utrustning som är specifika för arrayen mikroelektrod används Neurokirurgiska standardverktyg och utrustning.
1. Val av kadaver och setup i operationssalen
- Välj ett exemplar utan historia av sjukdom eller skador på huvud, skalle och hjärna.
- Du kan också utföra en datortomografi (CT) scan den cadaver's huvud till att det finns inga betydande intrakraniell lesion (figur 1A), e.g. kronisk subduralblödning hematom eller en intra axiella expansiv lesion. Identifiera med hjälp av datortomografi, en kortikal målområdet för implantation av mikroelektrod matrisen (såsom ”hand knopp” området av precentral gyrus, motsvarande representation av handen i den primära motoriska cortex27, när det gäller utbildning för implantation av en BCI).
- Ställning cadaver i laterala decubitus på ett operationsbord. Använd en operationsbordet snarare än en dissektion tabell för att lägga till realismen i OR-liknande miljö och underlättar upptagning av skallen klämman och pneumatiska Slaganordningen. Placera cadaver i laterala decubitus för att möjliggöra den fronto-temporal strategin i en formaldehyd-fasta cadaver, hos vilka hals rotation är begränsad.
- Fixa huvudet i skallen klämman (figur 1B). Täck med operationsdukar (figur 1 c).
Obs: I vårt fall, bakre stiften av skallen klämma är ovanligt placerade i sagittalplanet av huvudet (se figur 1B), eftersom vi använde en skalle klämma som hade ändrats för kirurgisk utbildning ämnar att hålla ett avlidna huvud avskilt från resten av kroppen.- När du använder en standard skalle klämma på ett operationsbord, placera bakre stiften att säkra huvudet vinkelrätt mot sagittalplanet.
2. exponering av hjärnbarkens ytan
- Incisionsfilm hårbotten med en skalpell efter ett frågetecken snitt för att exponera det timliga och pannben. Dissekera temporalis muskeln längs den bakre kanten av snittet. Luta dig tillbaka i hårbotten och temporalis muskeln genom trubbig dissektion (figur 1 d).
- Utföra en stor fyrkantig fronto-temporal kraniotomi, t.ex. 5 x 5 cm (figur 2A). Borra fyra burr hål i hörnen av den avsedda kraniotomi för detta ändamål. Använd sedan craniotome för att ansluta burr hål. Ta bort ben luckan med hjälp av en spatel, utsätta dura mater. Lagra ben klaffen i saltlösning.
- Öppna den dura mater på tre sidor av den kraniotomi med dura sax (figur 2B). Luta det och utsätta spindelvävshinnan membranet och ytan av cerebral hjärnbarken (figur 2 c).
3. fixering av elektroden piedestal
- Välj en kortikal vindling där mikroelektrod matrisen kommer att implanteras. Välj en gyral yta som är ungefär platt så att matrisen mikroelektrod kommer ligga jäms med det när de infogas. Se till att det finns inga synliga blodkärl coursing på kortikala ytan där mikroelektrod matrisen kommer att läggas.
- Välj en site för fixering av elektroden sockeln på överlägsen kanten av kraniotomi, nära huden snittet och möjliggör tillräckligt slack för wire bunten så att matrisen mikroelektrod kan nå målet gyrus. Skruva fast sockeln på den externa tabellen av skallbenet bredvid kraniotomi (figur 2D). Använd 6 till 8 kortikala benet plåtskruvar (6 mm längd, diameter 2 mm) för att säkerställa lämpliga fixering.
- När manipulera piedestal, alltid se till att arrayen mikroelektrod inte rör något (det kan vara skadad eller kunde lacerate hjärnbarkens ytan) genom att hålla den tråd bunten nära mikroelektrod matrisen med pincett med plast - eller gummiklädda tips (figur 2E).
4. positionering och införande av mikroelektrod matrisen
- Placera matrisen i mikroelektrod parallellt med ytan av målet gyrus. Böja tråd bunten som behövs för detta ändamål (figur 3A).
Obs: Den styva tråd bunten överensstämmer inte enkelt att kirurgens önskemål. Omsorg och tålamod krävs för att få bra justeringen av mikroelektrod array och kortikala ytan.- Använd eventuellt ”hund-ben” Titan remmar att säkra tråd bunten till skallen och styra sin kurs mot målet gyrus. Skruva inte remmen för hårt för att inte skada tråd bunten.
- Ta pneumatiska Slaganordningen i ungefärlig linje med baksidan av mikroelektrod matrisen (figur 3B). Kontrollera anslutningarna av pneumatiska Slaganordningen till dess kontroll låda, och slå sedan på rutan kontroll.
Obs: Kontrollera att pneumatiska Slaganordningen är minst 5 mm från matrisen innan du slår kontrollboxen, som pneumatiska Slaganordningen kan utlösas när den först slogs. - Använd de millimetric skruvarna av innehavaren av pneumatiska Slaganordningen för att förfina slaganordningens justering med baksidan av mikroelektrod matrisen (figur 3Binfälld). Med hjälp av provkroppen, tillämpa en utflykt avstånd - och tryck-kontrollerade tryck på baksidan av mikroelektrod matrisen och infoga det i kortikala ytan, trycka den genom spindelvävshinnan membranet.
Obs: Kontrollera att matrisen mikroelektrod är linje med kortikala ytan.
5. placering av rutnätet subdural ECOG
Obs: Detta steg är valfritt.
- Placera ett subduralt ECOG rutnät över den exponerade kortikala ytan (figur 3D). Om det behövs ta bort elektroderna genom att skära genom nätet så att den övergripande formen av ECOG rutnätet passar kraniotomi.
- Orientera rutnätet ECOG så att dess ledningar kommer att avsluta den dura mater och skalle fint eller posteriort.
- Vattna ECOG rutnätet med koksaltlösning innan du placerar den i kontakt med kortikala ytan.
- Säkra ECOG rutnätet av suturering det att dura mater på kanterna av durotomy.
6. ompositionering och förslutning av dura mater, ben lock och hudfliken
- Återspeglar dura mater tillbaka över den exponerade kortikala ytan och suturera det till kanterna på durotomy.
- Skruva ”hund-ben” Titan remmar på kanterna av ben klaffen med självgängande kortikala benskruvar. Flytta ben luckan inom kraniotomi. Säkra ben klaffen till angränsande skalle ben med ”hund-ben” Titan remmar och självgängande kortikala benskruvar. Se till att inte krossa tråd bunten av mikroelektrod matrisen (och de valfria ECOG rutnätet) mellan benkanter.
- Reflektera och sutur hudfliken. Nära huden snitt runt halsen av elektroden sockeln (figur 3E).
- Alternativt kan sockeln för att avstigning hårbotten genom en separat knivhugg snitt i hårbotten klaffen.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
Våra protokoll använder formaldehyd-fixerade mänskliga cadaver modell för att tillåta kirurger att öva det kirurgiska ingreppet att implantera en mikroelektrod matris i hjärnans neocortex i en realistisk, OR-liknande miljö. Alternativet utför obduktion neuroimaging, såsom huvud CT, kommer att bekräfta avsaknaden av någon betydande intrakraniell lesion (figur 1A) och kan hjälpa till med valet av implanteringsstället. Arbeta med en hela preparatet och ställa in för operation på ett operationsbord ökar realismen i förfarandet för utbildning (figur 1B-1 C). Även om formaldehyd fixering förändrar något färg, textur och stelhet i kroppens vävnader, kan varje steg av det kirurgiska ingreppet att exponera hjärnbarkens ytan (huden snitt, kraniotomi och durotomy) utföras enkelt enligt standard Neurokirurgiska metoder (figur 1 d och figur 2A-2 C).
Stegen i det kirurgiska ingreppet som är specifika för arrayen mikroelektrod vidare mycket på motsvarande sätt till i vivo situationen. Det första steget består av skruva elektrod sockeln för att skallbenet nära kraniotomi ( figur 2D-2E). Att föra mikroelektrod matrisen i linje med hjärnbarkens ytan är en av de känsligaste steg av förfarandet (figur 3A)26. Med positionering och drift av pneumatiska Slaganordningen utförs också i realistiska mode (figur 3B). Vår utbildning protokollet ger stora möjligheter för kirurger att experimentera med dessa avgörande steg. En avgång från verklighetstrogna realism är frånvaron av cerebral pulsering i cadaver modell (den lätt uppåt och nedåt rörelser av den exponerade hjärnbarkens ytan orsakas av hjärtslag och andning). Dock slutresultatet av protokollet utbildning (figur 3 c-3E) nära återger den verkliga situation26.
Om utförs av två kirurger, är operativa genomsnittstiden för mikroelektrod array implantation under 30 minuter, som också rapporterats av andra26.
Figur 1 . Ställa in operationssalen-liknande miljö. (A) huvud CT scan kan bekräfta avsaknaden av någon betydande intrakraniell lesion. (B) Position huvudet i skallen klämman. (C) drapera huvudet. Preparatets näsa är till höger om bilden, nackknöl till vänster. (D) incisionsfilm och luta hårbotten och temporalis muskeln. Klicka här för att se en större version av denna siffra.
Figur 2 . Utsätta hjärnbarkens ytan och fästa elektrod piedestalen. (A) utföra en stor fyrkantig kraniotomi. (B) utföra durotomy. (C) återspeglar dura mater och exponera hjärnbarkens ytan. (D) skruv elektrod sockeln för att skallbenet nära kanten av kraniotomi (infälld: närbild på fixering av piedestal med benskruvar). (E) Håll bräckliga mikroelektrod matrisen med pincett för att undvika skador från oönskade kontakt. Klicka här för att se en större version av denna siffra.
Figur 3 . Positionering och infoga arrayen mikroelektrod. (A) böja tråd bunten för att bringa mikroelektrod matrisen i linje med kortikala ytan (infälld: närbild på anpassning av mikroelektrod array och cortex). (B) Bring pneumatiska Slaganordningen i linje med baksidan av mikroelektrod matrisen (infälld: närbild på anpassningen av Slaganordningen och mikroelektrod matrisen). (C) översikt av mikroelektrod arrayen, wire bundle och elektroden piedestal. (D) Position ECOG rutnät över kortikala ytan. (E) nära huden runt halsen på elektroden piedestal. Klicka här för att se en större version av denna siffra.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
Formaldehyd-fast mänskliga cadaver modellen och det kirurgiska protokollet som beskrivs här replikera det kirurgiska ingreppet att implantera mikroelektrod matriser i den mänskliga hjärnans neocortex. Varje steg i förfarandet, inbegripet placeringen av mikroelektrod matrisen och dess införande med den pneumatiska Insertion, fortsätt på nästan samma sätt som i en verklig patient, med undantag att cerebral pulsering och cirkulationen är frånvarande. De kritiska steg i protokollet är anpassningen av mikroelektrod matrisen med hjärnbarkens ytan och dess impaktion i cortex använder den pneumatiska insertion. Man måste vara försiktig att approximera arrayen som parallell med kortikala ytan som möjligt. I fall kan att matrisen inte ligger jäms med hjärnbarkens ytan efter första kranen av den pneumatiska Insertion, ett extra tryck levereras. Under hela förfarandet skyddas mikroelektrod matrisen mot mekaniska skador. Vid implantation i en mänsklig patient vid kliniska tillstånd, om det finns någon synlig skada mikroelektroder, bunt eller kontakt, matrisen ska kasseras och en annan används.
Arrayen Utah är för närvarande endast hjärnbarkens mikroelektrod matrisen som har fått godkännande för användning på människor. Dock andra typer av mikroelektroder har utvecklats hos djur och får användas i människor i särskilda forsknings projekt28. Varje strategi bär sina fördelar och nackdelar, främst relaterade till utformningen av elektroderna. Exempelvis kräver ballistiska införande tekniken i Utah matrisen, som utvecklades av nödvändighet25, att matrisen anpassas exakt med den kortikala ytan; Detta krav gäller inte nödvändigtvis till andra mikroelektroder, som kan pressas försiktigt på grå saken. Vissa elektroder tillåta tillgång till aktiviteten av alla kortikala skikt29, medan matrisen Utah prover från nervceller på ett enda, förutbestämt djup. En av de stora fördelarna med arrayen Utah är det stora antalet nervceller som kan spelas in samtidigt, vilket gör det särskilt lämpligt för motor BCIs11.
Neurokirurgiska laboratorium utbildningar anses avlidna exemplar som modeller av högt värde, att tillåta haptisk feedback i en miljö som presenterar specifikt mänskliga anatomin30,31. Det finns ingen universell cadaver modell, dock, och balsamering tekniken måste anpassas till varje procedurens mål: är mjuka vävnader (t ex hårbotten) av betydelse, eller snarare de ben, dura mater, cortex, ventriklarna eller blodkärl32, 33,34,35,36? Färska eller färskfryst (frysförvarade) exemplar, bära medan ofta ansedd som den bästa modellen för en mängd olika kirurgiska ingrepp, risken för överföring av smittsamma sjukdomar. Dessutom har de en mycket begränsad arbetstid på grund av snabba förfall31,37,38,39, följt av minskad vävnad efterlevnad, ventrikulär kollaps och pneumocephalus 35. När det gäller våra protokoll, att upprätthålla en något fast kortikala ytan var ett krav för att möjliggöra införandet av mikroelektrod arrayen, således utgör hinder för användningen av färskfryst provexemplar. Balsamering lösningar som ger långsiktiga fixativ och bakteriedödande egenskaper är också allmänt accepterat30,33,35,40. Kadaver balsamerade enligt Thiel fixering är högt anseende när det gäller mjukdels konsistens och för att utveckla fascian eller internervous flygplan36, men bevarandet av hjärnan tros saknar realism41. Formaldehyd-baserade fixering orsakar vävnad stelna och upprullning samt missfärgning35,36,37. Men formaldehyd fixering är allmänt tillgänglig och överkomlig, och formaldehyd-fasta kadaver är mycket hållbara. I det sammanhang som presenteras i detta papper, härdning av mjuka vävnader orsakade av formaldehyd fixering, samtidigt vara en nackdel för många kirurgiska utbildningar (i synnerhet för ortopediska tillvägagångssätt), visade sig vara en lämplig modell, presentera en stabil, men inte alltför rigid ytan av hjärnan, vilket möjliggör en realistisk tillämpning av kortikala mikroelektrod matrisen på post mortem hjärnan. Tekniker har utvecklats för att simulera cirkulationen av blod och cerebrospinalvätska i formaldehyd-fasta kadaver30,31,39 och kunde komplettera detta protokoll för att ytterligare öka realismen i OR-liknande miljö.
Tredimensionella (3D) utskrift har nyligen blivit ett tillgängligt och prisvärt sätt att replikera kroppsdelar för medicinsk och kirurgisk utbildning. Nya 3D printning och gjutning med syntetiska geléartad kastar ger en realistisk hjärnan modell med taktil feedback. Denna metod har fördelen av att ge en deformerbar struktur som kan skrivas ut för att återge en viss individs cerebral anatomi och är således mer anatomiskt korrekta än mer generiska modeller42. Däremot, finns det fortfarande reservationer när det gäller styvheten och de vävnad skäregenskaper av syntetiska material43. I denna mening ger avlidna modellen en bredare anatomiska ramverket, inklusive den fullständiga stratigrafi, inte bara hjärnan ytan själv.
Ett alternativ till kirurgisk träning på mänskliga kadaver öva på levande djur. Implantera en mikroelektrod array på en primat modell, till exempel en makak apa, skulle återge de flesta funktioner av faktiska förfarandet i en mänsklig patient, inklusive kirurgiska positionering och instrumentation liknande dem som används hos människor, en gyrencephalic hjärna av en storlek inte mycket långt ifrån det av en människas, och förekomsten av cerebral pulsering samt blod-och cerebrospinalvätska. Men det är acceptabelt att implantatet mikroelektrod matriser i apor i syfte att neurovetenskapliga forskning, avrådes använder apor uteslutande för kirurgisk träning allmänt, av etiska skäl samt på grund av deras mycket höga kostnader. Eftersom några neurovetenskap centra implantat mikroelektrod matriser i apor för forskningsändamål, och eftersom dessa centra använder några djur på en gång (på grund av kostnaden för aporna själva och lång och arbetskrävande utbildning att neurovetenskap forskning med apor i allmänhet medför), utbildning för mikroelektrod array implantation i apor inte är ett alternativ för de flesta kirurger. Använda mindre djur, såsom gnagare och även katter eller kaniner, skulle avvika alltför mycket från OR-liknande realism. En potentiell fördel med djurmodeller är att vävnad läkning tillåter upprepa hela proceduren mer än en gång under livstiden för djuret. I en mänsklig cadaver modell, kan hela proceduren upprepas en gång per halvklotet. Som sagt, utgör kraniotomi inte någon särskild svårighet att en utbildad neurokirurg. Förutsatt att kraniotomi är tillräckligt stor, kan de specifika stegen i piedestal fixering och mikroelektrod positionering och införande upprepas så ofta som önskas under en viss session, tillhandahålla en adekvat utbildning möjlighet att mer än en kirurg. Därför tycker vi att balsamerade mänskliga kadaver är den lämpligaste modellen att utbilda kirurger att implantatet mikroelektrod matriser.
Senaste genombrott inom BCI utveckling föreslår att mikroelektrod matriser kan utgöra ett kliniskt betydande tillägg till de terapeutiska och stärkande lösningar som är tillgängliga i dag för patienter med svår motor eller kommunikativa funktionshinder 11 , 13 , 44. i en nära framtid, implantation av mikroelektrod matriser kan således bli en obligatorisk del av utbildning av neurokirurger. Förbättringar i utformningen av mikroelektroder själva, tillsammans med förbättringar i ansluta elektroderna till datorn bearbeta neuronala signaler (sannolikt via trådlösa anslutningar), kommer att minska invasivitet av mikroelektrod matriser och ytterligare förbättra deras användbarhet för både läkare och patienter och deras vårdgivare.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
Författarna har något att avslöja.
Acknowledgments
Författarna är tacksamma att Dr Rob Franklin (Blackrock Microsystems), Prof. Margitta Seeck (avdelningen för neurologi, universitetssjukhusen i Genève, Genève, Schweiz), Dr Andrea Bartoli och Prof. Karl Schaller (avdelningen för neurokirurgi, Genève universitet Sjukhus, Geneve, Schweiz), och Mr Florent Burdin och Prof. John P. Donoghue (Wyss Center för Bio och Neuroengineering, Genève) för deras stöd förbereda närvarande arbete.
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).
