Waiting
Login processing...

Trial ends in Request Full Access Tell Your Colleague About Jove
JoVE Journal Medicine
Click here for the English version

Medicine

אימוני ניתוח ההשתלה של מערכים Neocortical Microelectrode באמצעות מודל של פורמלדהיד-קבוע גווייה אנושי

Published: November 19, 2017 doi: 10.3791/56584
Automatic Translation
1,2, 1, 1, 3, 4, 5, 4, 5
1Wyss Center for Bio and Neuroengineering, Geneva, 2Division of Neurology, Department of Clinical Neuroscience, Geneva University Hospitals, 3Department of Neurosurgery, Brigham and Women's Hospital, Harvard Medical School, 4Division of Neurosurgery, Department of Clinical Neuroscience, Geneva University Hospitals, 5Clinical Anatomy Research Group, Department of Cell Physiology and Metabolism, Faculty of Medicine, University of Geneva

Summary

תיכננו הליך שבו גופה אנושית-קבוע פורמלדהיד משמש כדי לסייע נוירוכירורגים להכשרת ההשתלה של מערכים microelectrode לתוך קליפת של המוח האנושי.

Abstract

פרוטוקול זה מתאר הליך כדי לסייע מנתחים להכשרת ההשתלה של מערכים microelectrode לתוך קליפת של המוח האנושי. ההתקדמות הטכנולוגית האחרונות אפשרה הזיוף של מערכים microelectrode המאפשרות הקלטה הפעילות של נוירונים בודדים מרובים קליפת של המוח האנושי. מערכים אלה יש פוטנציאל להביא תובנה ייחודי על גבי ה"מפה עצביים של תפקוד מוחי על בריאות ומחלה. יתר על כן, הזיהוי ופענוח של הפעילות העצבית ופרסומיה פותח את האפשרות להקמת ממשקים מוח-מחשב, ובכך עשוי לעזור לשחזר איבד פונקציות נוירולוגיות. ההשתלה של מערכים neocortical microelectrode הוא הליך פולשני הדורשים גולגולת centimetric הארץ, החשיפה של המשטח בקליפת המוח; לפיכך, ההליך יבוצע ע י נוירוכירורג שלמאחה מיומן. כדי לספק הזדמנות עבור תרגולי, תיכננו פרוצדורה המבוססת על מודל אנושי גווייה. השימוש של גופה אנושית פורמלדהיד-קבוע עוקף את הקשיים מעשית, מוסרית וכלכלית של תרגול כירורגי בבעלי חיים (בעלי-חיים במיוחד פרימטים) תוך שמירה על המבנה מאקרוסקופית של הראש, הגולגולת, קרומי המוח ולתקן מוחין פני השטח ומאפשר מציאותית, כמו חדר ניתוח מיצוב ומכשור. יתר על כן, השימוש של גופה האנושי הוא קרוב יותר יומי הקליני מאשר כל דגם אנושיות. החסרונות העיקריים של הסימולציה cadaveric הם העדר של מוחי pulsation, מחזור הדם, נוזל מוחי שדרתי. אנו ממליצים כי מודל פורמלדהיד-קבוע גווייה האנושי היא גישה נאותה, מעשי וחסכונית להבטיח הכשרה מתאימה כירורגי לפני השתלת microelectrode מערכים בקליפת אדם חי.

Introduction

בשנים האחרונות ראית את הפיתוח של פתרונות טכנולוגיים לאתגר של הקלטת הפעילות של נוירונים בודדים מרובים בסלון המוח1,2,3. Microelectrode מבוססי סיליקון מערכים לבצע באופן דומה כדי microelectrodes חוט רגיל מבחינת מאפייני אות, הם יכולים להקליט כאן בין עשרות למאות נוירונים בפיסה קטנה של רקמת המוח4,5, 6 , 7. microelectrode מערכים אפשרו למדענים להקים את ההתכתבות בין פעילות עצבית בקליפת המנוע העיקרי של קופים הזרוע תנועות8, אשר בתורו סיפקה דחיפה להתפתחות של מוח-מחשב ממשקים (BCIs)9.

מערכים microelectrode השתמשו בבני אדם בשני מצבים: שתלים כרונית כדי לשלוט BCIs וכן שתלים למחצה כרונית ללמוד את הפעילות של נוירונים בודדים בחולים הסובלים מאפילפסיה. השתלים כרונית, מיקוד הייצוג פונקציונלי של היד בקליפת מנוע ראשי, אפשרו חולים הסובלים tetraplegia כדי לשלוט בתנועה של זרוע רובוטית או של המחשב סמנים10,11,12 ,13. השתלים למחצה כרונית, מוכנס יחד עם אלקטרודות לשטף electrocorticography (ECOG) בחולים עם אפילפסיה עמידים שאינם מועמדים לניתוח אפילפסיה14, לאפשר הקלטות יחיד-יחידה לפני, במהלך ואחרי התקפים, החלו לשפוך אור על הפעילות של הנוירונים יחיד במהלך, בין התקפים אפילפטיים15,16,17,18,19. מערכים microelectrode יש פוטנציאל לשפר באופן משמעותי את הבנתנו איך המוח מתפקד על-ידי יצירת קישור בין הפעילות של הנוירונים, מצד אחד, תפיסות, תנועות ואת מחשבות של בני האדם, גם בריאות וגם ב המחלה, על אחרים20,21.

מערכים מבוססי סיליקון microelectrode זמינים כעת מסחרית, השימוש בהם בבני אושרה על ידי הרשויות הרגולטוריות בארה בהסימן אפילפסיה למחצה כרונית. עם זאת, התקנים אלה הינם פולשניים, חייב להיות מוכנס לתוך המוח. ההשלכות השליליות של טכניקה ההכנסה פסולים, מעבר הכישלון של ההתקן כדי להקליט פעילות. עצבית, כוללים דימום מוחי, זיהום, עם הפוטנציאל של תפקוד נוירולוגי לטווח ארוך או קבועה. שיעור סיבוך של microelectrode מערך ההשתלה אמנם כרגע לא ידוע, שיעור פוטנציאל לסיבוכים רציניים במהלך ההשתלה של macroelectrodes תוך-גולגולתי אלקטרואנצפלוגרם (EEG) הוא 1-5%22, 23. לכן, ההשתלה נאותה של מערכים microelectrode דורש מיומנויות נוירולוגי מקיף והן נוהל הדרכה.

הגישות זמין עבור מנתחים לחדד את כישורי שלהם עם מערכים microelectrode בסביבה בטוחה כוללים יונקים שאינם בני אדם ובגופות אנוש. מודל האימון אידיאלי לשחזר בנאמנות את גודל ועובי של הגולגולת האנושית; הקשיחות ואת כלי הדם הסתעפויות של דורה; דפוס gyrification, עקביות, pulsation של המוח האנושי; הנוכחות של מחזור הדם, נוזל מוחי שדרתי; ואת המיקום הכללי של הנושא בחדר ניתוח (או אר)-כזה בסביבה. לפיכך, מודלים בעלי חיים צריכים להיות בגודל מספיק כדי לספק חוויה משמעותית המנתחים. פרימטים אנושיות גדולות הקרוב ביותר, אבל ושימושם עבור תרגולי בלתי נסבלת שניהם מנקודת מבט מוסרית, כי הם יקרים. מכרסמים אל תזין שיקול בשל גודלם הקטן; שימוש אפילו חתולים או ארנבים מרמז מתפצל באופן משמעותי מפני הסביבה או דמוי.

גופות של בני אדם מייצגות חלופה אטרקטיבית. יתרונם כוללים את גודל חיים כמו צורת הראש והמוח ועל האפשרות של הגדרת תרגולי סביבה או דמוי. הברור ביותר של מצב מציאותי מפליגות העדר הפעימות מוחי דימום ואת השינויים היבט ו consistence של רקמות הגוף הספציפיים הטכניקה שבה נעשה שימוש עבור שימור גופה24. גופות טריים מוקפאים לשמר את עקביות והגמישות של רבים איברים ורקמות במידה מסוימת, אך יש מספר חסרונות: הם מתחילים משפילים ברגע מפשיר מתחיל, כך המוח הופך להיות מושפל גם עבור הכניסה של microelectrode מערך להתבצע באופן מעשי, והם הם משאב נדיר ויקר יחסית. פורמלדהיד-קבוע גוויות, מצד שני, הן במחיר נוח יותר, זמינים עמיד הרבה יותר, על חשבון רקמות מוקשח עקביות.

כאן, אנחנו? ליצור הליך באמצעות מודל של פורמלדהיד-קבוע גווייה אנושי לספק הכשרה נוירוכירורגיים ההשתלה של מערך neocortical microelectrode. הגישה שלנו מאפשרת מציאותית, או כמו מיצוב ומכשור; ביצוע ואז durotomy וחושף פני neocortical; הצמדת אלקטרודה הכן לעצם הגולגולת השכנות את הניתוח; ולהוספה של המערך microelectrode לתוך קליפת impactor פנאומטי25. אנושות, זה מאפשר מנתחים לתרגל את יישור מדויק של המערך microelectrode (אשר מחובר אל המעמד אלקטרודה על ידי צרור של חוטי זהב מבודד בנפרד) מקביל פני השטח neocortical26. פרוטוקול שלנו בנאמנות משכפל את הסימן של microelectrode השרשה מערך יחד עם ההשתלה ECOG בחולים המועמדים לניתוח אפילפסיה. הפרטים של הניתוח השרשה מושפעים באופן משמעותי הסוג המדויק של מערך microelectrode; כאן, אנו מתארים את ההליך עבור מערך כי לאחרונה קיבלה את אישור רגולטורי לשימוש בבני אדם בארה ב. המערך יוטה כביכול כוללת של 4 x 4 מ מ, 100 microelectrode רשת; הדום transcutaneous שמצורף לטבלה חיצוני של הגולגולת; וחיבור צרור חוט השני.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

הגופה האנושית להשתמש בעבודה זו סופקה תחת המסגרת של הגוף תרומות לחינוך רפואי. הסכמה מדעת לתרומת גוף הושג בכתב במהלך החיים של התורם. בהתאם לחוקים פדרליים ועל הקנטונים, אין ביקורת על-ידי ועדת האתיקה היה הכרחי.

הערה: פרוטוקול זה מניחה כי האנשים ביצוע הניתוח בפועל הם נוירוכירורגים עם הכשרה ומומחיות נהלי נוירוכירורגיים, כולל מיקום החולה, קיבוע הראש, גולגולת, durotomy, תפירה. בנוסף הכלים ואת ציוד ספציפי במערך microelectrode, משמשים ציוד וכלים נוירוכירורגיים סטנדרטי.

1. בחירה של גווייה, כיוונון של חדר הניתוח

  1. בחר דגימה ללא היסטוריה של מחלה או פציעה הראש, הגולגולת והמוח.
    1. לחלופין, לבצע סריקת טומוגרפיה (CT) של הראש של הגופה כדי להבטיח שזה לא משמעותי תוך-גולגולתי הנגע (איור 1 א'), למשל שטף דם כרוני או הנגע ולקיבולת אינטרה-צירית. שימוש בסריקת, לזהות אזור בקליפת המוח היעד עבור ההשתלה של המערך microelectrode (כגון האזור "יד כפתור" של הפיתול precentral, התואם הייצוג של היד קליפת מנוע העיקרית27, במקרה של אימון השרשת BCI).
  2. גווייה עמדה בעגלות לרוחב על שולחן הניתוחים. השתמש שולחן הניתוחים במקום ניתוח טבלה כדי להוסיף על הריאליזם של הסביבה או דמוי ומקל את הקיבעון של הגולגולת קלאמפ, impactor פנאומטי. מקם את גוויתו בתוך חמצן לרוחב על מנת לאפשר את הגישה fronto-טמפורלית בתוך גופה פורמלדהיד-קבוע, אשר סיבוב הצוואר הוא מוגבל.
  3. לתקן את הראש המלחציים הגולגולת (איור 1B). מכסים עם וילונות כירורגי (איור 1C).
    הערה: במקרה שלנו, הפינים האחורי של הגולגולת קלאמפ באופן חריג ממוקמות בתוך המטוס sagittal של הראש (ראה איור 1B), כי השתמשנו מלחציים הגולגולת ששינה למטרות תרגולי להחזיק ראש cadaveric מופרדים משאר של הגוף.
    1. כאשר באמצעות מלחציים הגולגולת רגילה על שולחן הניתוחים, למקם את הסיכות האחורי אבטחת הראש בניצב למישור sagittal.

2. חשיפת פני השטח neocortical

  1. תחתכי את הקרקפת באמצעות אזמל, בעקבות חתך סימן שאלה לחשוף הזמני ועצמות הקדמית. לנתח את השריר temporalis לאורך הקצה האחורי של החתך. ובעליה לשריר הקרקפת ו temporalis ע י ניתוח עמום (איור 1D).
  2. לבצע מרובע fronto-טמפורלית גולגולת גדולה, למשל 5 x 5 ס מ (איור 2 א). למטרה זו, תרגיל 4 נקבים בפינות של הניתוח המיועד. לאחר מכן, השתמש את craniotome כדי להתחבר נקבים. הסר את מכסה העצם בעזרת מרית, חשיפת קרום הדורה. אחסן את מכסה העצם תמיסת מלח.
  3. פתח קרום הדורה משלושה צדדים של הניתוח באמצעות מספריים דורא (איור 2B). ובעליה זה ולחשוף את הקרום מעידה והמשטח של קליפת המוח (איור 2C).

3. קיבוע של המעמד אלקטרודה

  1. בחר את הפיתול קורטיקלית בו יושתלו המערך microelectrode. בחר משטח gyral הוא שטוח כ כך המערך microelectrode ישקר מיושר עם זה בעת הכנסתו. ודא שיש אין שוצף כלי דם נראה לעין על פני קורטיקלית איפה יתווסף המערך microelectrode.
  2. בחר אתר עבור הקיבעון של המעמד אלקטרודה בקצה נעלה הניתוח, קרוב החתך בעור, ומאפשר מרווח מספיק עבור החבילה חוט כך המערך microelectrode יכול להגיע הכישור היעד. בורג הכן על השולחן החיצוני של עצם הגולגולת ליד הניתוח (איור דו-ממדי). השתמש 6 עד 8 העצמית הקשה קליפת העצם שקצרנו ברגים (6 מ מ אורך, 2 מ מ קוטר) כדי להבטיח קיבוע המתאים.
    1. בשעת טיפול הכן, להקפיד על המערך microelectrode לא לגעת בשום דבר (זה עלולים להינזק או יכול lacerate על פני neocortical) על-ידי החזקת את הצרור תיל קרוב המערך microelectrode עם פינצטה עם פלסטיק - או טיפים מצופים גומי (2E איור).

4. מיקום ההוספה של המערך microelectrode

  1. מקם את המערך microelectrode מקבילים עם פני השטח של הכישור היעד. לכופף את הצרור תיל כנדרש למטרה זו (איור 3 א).
    הערה: הצרור תיל נוקשה בקלות תואם המשאלות של המנתח. טיפול וסבלנות נדרשים להשיג יישור טוב של מערך microelectrode, השטח קורטיקלית.
    1. לחלופין, השתמש רצועות טיטניום "כלב עצם" כדי לאבטח את הצרור תיל בגולגולת ולשלוט מסלולו לכיוון היעד הפיתול. . אל תהרוס את הרצועה חזק מדי כדי למנוע נזק את הצרור תיל.
  2. להכניס את impactor פנאומטי משוער יישור עם הגב של המערך microelectrode (איור 3B). לשלוט את החיבורים impactor פנאומטי לתיבת הבקרה שלו, ולאחר מכן הפעל את תיבת בקרת.
    הערה: ודא כי impactor פנאומטי הוא לפחות 5 מ מ מן המערך לפני הפעלת תיבת בקרת, כפי impactor פנאומטי אולי יופעל בעת ראשית מופעלת.
  3. להשתמש את הברגים millimetric של בעל impactor פנאומטי כדי לחדד היישור של impactor עם הגב של המערך microelectrode (איור 3Bשיבוץ). שימוש של impactor, להחיל ברז מרחק-לחץ-נשלט של טיול לחלק האחורי של המערך microelectrode, להכניס אותו לתוך השטח קורטיקלית, דחיפתו דרך קרום מעידה.
    הערה: בדוק המערך microelectrode מיושר עם השטח קורטיקלית.

5. מיקום של הרשת ECOG לשטף

הערה: שלב זה הוא אופציונלי.

  1. הצב רשת ECOG לשטף בקליפת המוח חשוף פני השטח (איור תלת-ממד). במידת הצורך, הסר אלקטרודות על ידי חיתוך באמצעות הרשת, כך הצורה הכללית של הרשת ECOG יתאים את הניתוח.
  2. אוריינט רשת ECOG כך התיל שלו ייסגר את הדורה והגולגולת, עליונית או posteriorly.
  3. להשקיית הרשת ECOG עם תמיסת מלח לפני הנחת במגע עם המשטח קורטיקלית.
  4. באבטחת הרשת ECOG על-ידי תפירת אותו כדי קרום הדורה בקצוות durotomy.

6. שינוי מיקום וסגירת של הדורה, מכסה העצם, קפל העור

  1. לשקף את הדורה מעל פני השטח בקליפת המוח החשוף, האצבעות על הקצוות של durotomy.
  2. בורג "כלב עצם" רצועות טיטניום אל קצות הכנף עצם שימוש עצמי הקשה ברגים עצם קורטיקלית. למקם מחדש את מכסה העצם בתוך הניתוח. לאבטח את מכסה העצם השכנה עצמות הגולגולת עם הרצועות טיטניום "כלב עצם" ואת עצמי הקשה ברגים עצם קורטיקלית. לטפל לא כדי למחוץ את הצרור חוט של המערך microelectrode (ואלה של רשת ECOG אופציונלי) בין קצוות העצם.
  3. משקפים, תפר את תוספת העור. סגירת החתך בעור סביב הצוואר של המעמד אלקטרודה (איור 3E).
    1. לחלופין, אפשר את המעמד ליציאה הקרקפת דרך חתך דקירות נפרדות הפך הכנף הקרקפת.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

פרוטוקול שלנו משתמש במודל מקובע פורמלדהיד גופה אנושית כדי לאפשר מנתחים לתרגל את הליך כירורגי של השתלת מערך microelectrode לתוך קליפת המוח בסביבה מציאותי, או כמו. האפשרות של ביצוע דימות מוחי פוסט-מורטם, כגון, סי-טי ראש יאשר העדר כל פגיעה תוך-גולגולתי משמעותית (איור 1 א'), יכול לעזור עם המבחר של אתר ההשתלה. עבודה עם הדגימה כולה והגדרת לניתוח על שולחן הניתוחים מגבירה את הריאליזם של הליך ההכשרה (איור 1Bג-1). למרות הקיבעון פורמלדהיד הפיצולים במקצת את צבע, מרקם, נוקשות של רקמות הגוף, בכל שלב של ההליך הכירורגי לחשוף את פני השטח neocortical (חתך, גולגולת ו- durotomy) ניתן לבצע בקלות על פי תקן תרגול נוירולוגי (איור 1D ו- 2A באיורג-2).

השלבים של ההליך הכירורגי הספציפיים המערך microelectrode מאוד דומה להמשיך המצב ויוו . הצעד הראשון מורכב מזיין את המעמד אלקטרודה לעצם הגולגולת ליד הניתוח ( איור דו-ממדי-2E). מכניס את המערך microelectrode יישור עם משטח neocortical הוא אחד השלבים הכי עדין של ההליך (איור 3 א)26. מיצוב ותפעול של impactor פנאומטי מבוצעות גם בצורה ריאליסטית (איור 3B). פרוטוקול אימונים שלנו מספק הזדמנויות מנתחים להתנסות עם השלבים מכריע. יציאה אחת מן הריאליזם למציאות הוא העדר pulsation המוחית במודל גווייה (קלה כלפי מעלה ולא כלפי מטה תנועות של פני השטח החשוף neocortical הנגרמת על ידי פעימות לב ונשימה). עם זאת, התוצאה הסופית של פרוטוקול אימונים (איור 3C-3E) מקרוב מוליד מצב אמיתי26.

אם מבוצעת על ידי שני מנתחים, הזמן הממוצע פעיל להשתלה מערך microelectrode היא מתחת לגיל 30 דקות, כמו גם דיווח על-ידי אחרים26.

Figure 1
איור 1 . הגדרת הסביבה כמו חדר ניתוח. (א) סי-טי ראש הסריקה יכול לאשר העדר כל הנגע תוך-גולגולתי משמעותית. (B) עמדה בראש המלחציים הגולגולת. (ג) תלויה בראש. האף של הדגימה היא בצד ימין של התמונה, occiput משמאל. (ד) Incise, להשתרע שריר הקרקפת ו temporalis. אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של הדמות הזאת.

Figure 2
איור 2 . חשיפת פני השטח neocortical, הצמדת אלקטרודה הכן. (א) ביצוע גולגולת מרובע גדול. (B) לבצע durotomy. (ג) משקפים את הדורה ולחשוף את פני השטח neocortical. (D) בורג המעמד אלקטרודה לעצם הגולגולת ליד הקצה של גולגולת (הבלעה: תקריב על הקיבעון של המעמד עם ברגים עצם). (E) להחזיק המערך microelectrode שברירית עם פינצטה כדי למנוע נזק ממגע לא רצויים. אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של הדמות הזאת.

Figure 3
איור 3 . מיצוב ולהוספה של המערך microelectrode. בנד (א) הצרור תיל כדי להביא את המערך microelectrode לתוך יישור עם משטח בקליפת המוח (שיבוץ: תקריב על היישור של מערך microelectrode, קליפת המוח). (B) הביאו impactor פנאומטי לתוך יישור עם הגב של המערך microelectrode (פנימי: תקריב על היישור של המערך impactor ו- microelectrode). (ג) סקירה של המערך microelectrode, תיל הדום צרור, אלקטרודה. (ד) ECOG מיקום רשת על פני קורטיקלית. (E) קרוב לעור סביב צווארה של המעמד אלקטרודה. אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של הדמות הזאת.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

המודל פורמלדהיד-קבוע גווייה האנושי והפרוטוקול כירורגי המתוארים כאן לשכפל את הליך כירורגי של השתלת microelectrode מערכים לתוך קליפת המוח האנושי. כל שלב של התהליך, לרבות המיקום של המערך microelectrode והוספה שלו עם פנאומטי מכניס תוספות, המשך כמעט באותו אופן כמו מטופל אמיתי, עם היוצא מן הכלל הזה pulsation מוחי, זרימת הדם נעדרים. השלבים הקריטיים בפרוטוקול הם היישור של המערך microelectrode ועם פני השטח neocortical impaction שלה לתוך קליפת המוח באמצעות את פנאומטי מכניס תוספות. יש לנקוט כדי לאמוד את המערך כמו המקביל למשטח קורטיקלית ככל האפשר. במקרה כי המערך לא משקר מיושר עם פני השטח neocortical לאחר הברז הראשון של פנאומטי מכניס תוספות, ברז נוסף יכול להיות מועברת. לאורך כל התהליך, המערך microelectrode צריך להיות מוגן מפני פגיעה מכנית. במקרה של ההשתלה בבני-אדם החולה בתנאים קליניים, אם נגרם נזק לעין microelectrodes, צרור או מחבר, המערך צריכים להיות מושלך ומשמשת עוד אחד.

המערך יוטה נמצא כעת המערך microelectrode רק neocortical כי קיבלה אישור רגולטורי לשימוש בבני אדם. עם זאת, סוגים אחרים של microelectrodes פותחו בבעלי חיים, עשוי לשמש אצל בני אדם בתוך פרוייקטי מחקר ספציפי28. בכל אחת מהגישות נושא היתרונות והחסרונות משלה, הקשורים בעיקר בעיצוב של האלקטרודות. למשל, הטכניקה הבליסטי ההכנסה של המערך יוטה, אשר פותחה מתוך הכרח25, דורש כי המערך בדיוק ליישר עם משטח בקליפת המוח; דרישה זו אינה חלה בהכרח על אחרים microelectrodes, אשר יכול להיות דחף בעדינות אל תוך התאים האפורים. כמה אלקטרודות לאפשר גישה לפעילות של כל שכבות קורטיקלית29, ואילו המערך יוטה דגימות של נוירונים בעומק יחיד, שנקבע מראש. אחד היתרונות הגדולים של המערך יוטה הוא המספר הגדול של נוירונים שניתן לתיעוד בו זמנית, שהופך אותו מתאים במיוחד BCIs מנוע11.

עבור קורסי הדרכה מעבדה נוירוכירורגיים, דגימות cadaveric נחשבים מודלים של ערך גבוה, ומאפשר המספקת משוב סביבה מציג במיוחד אנטומיה אנושית30,31. יש אין מודל אוניברסלי גווייה, עם זאת, שיטת החניטה חייב להיות מותאם למטרות של כל הליך: הם רקמות רכות (כגון הקרקפת) חשיבות, או ליתר דיוק עצמות, הדורה, קליפת המוח, החדרים או כלי הדם32, 33,34,35,36? טרי או קפוא טרי דגימות (cryopreserved), בעוד נחשב לעתים קרובות המודל הטוב ביותר עבור מגוון רחב של ניתוחים, לשאת את הסיכון להעברת מחלות מדבקות. יתר על כן, יש להם זמן עבודה מוגבל מאוד עקב דעיכה מהירה31,37,38,39, ואחריו תאימות רקמות ירד, התמוטטות חדרית ו- pneumocephalus 35. במקרה של פרוטוקול שלנו, שמירה על משטח קורטיקלית במקצת המשרד היה תובעני כדי לאפשר את ההוספה של המערך microelectrode, ובכך מסלק את השימוש דגימה מוקפאות. פתרונות החניטה מתן מקבע לטווח ארוך ומאפיינים קוטל חידקים הם גם נפוצה ומקובלת30,33,35,40. גופות חנטה בהתאם הקיבעון ת'יל נחשבים מאוד במונחים של רקמות רכות עקביות ועל פיתוח מטוסים fascial או internervous36, אך שימור המוח נחשב חוסר ריאליזם41. קיבוע מבוסס-פורמלדהיד גורמת רקמות stiffening התנצלות וכן דהוי35,36,37. עם זאת, קיבוע פורמלדהיד הוא נרחב זמין וזול, גופות פורמלדהיד-קבוע עמיד מאוד. בהקשר שהוצגו במאמר זה, התקשות של הרקמות הרכות הנגרמת על ידי קיבוע פורמלדהיד, בעת היותו חיסרון לקורסים תרגולי רבים (בפרט עבור גישות אורטופדיות), התברר להיות מודל נאותה, הצגת יציב אבל לא נוקשה מדי השטח של המוח, ובכך מאפשר עבור יישום ריאליסטי של המערך microelectrode קורטיקלית על פוסט מורטם המוח. טכניקות פותחו כדי לדמות את מחזור הדם, נוזל מוחי שדרתי ב גופות פורמלדהיד-קבוע30,31,39 , יכול להשלים את הפרוטוקול הנוכחי וכדי להוסיף להגדיל את הריאליזם של הסביבה או דמוי.

הדפסה תלת-מימדי (3D) הפך לאחרונה אמצעי נגיש ובמחיר של שכפול חלקי הגוף לחינוך רפואי וכירורגי. הרומן 3D דפוס, שהמודעות בעזרת הטלות כמו ג'לי סינתטית מספק מודל המוח מציאותי עם משוב משושי. גישה זו יש היתרון של מתן מבנה deformable אשר ניתן להדפיס לשחזר את האנטומיה המוחית של אדם ספציפי, ולכן הוא יותר אנטומית מדויקת יותר דגמים כללית יותר42. מצד שני, עדיין יש הסתייגות הקשיחות והמאפיינים חיתוך רקמה של חומרים סינתטיים43. במובן זה, המודל cadaveric נותן מסגרת אנטומי רחב יותר, כולל את סטרטיגרפיה מלאה, לא רק פני השטח המוח עצמו.

אלטרנטיבה תרגולי על גופות אדם הוא מתאמן בבעלי חיים. השתלת מערך microelectrode על מודל הפרימטים, למשל קוף מקוק, לשחזר את רוב התכונות של ההליך בפועל לחולה אנוש, כולל ניתוח מיצוב ומכשור דומה לזו בבני אדם, gyrencephalic מוח בגודל לא מאוד רחוק מזה של האדם, ואת נוכחותם של pulsation מוחי, כמו גם זרימת דם, נוזל מוחי שדרתי. עם זאת, אמנם זה מקובל על שתל microelectrode מערכים בקופים לצורך חקר המוח, באמצעות קופים אך ורק עבור תרגולי נרחב כשמקישים, מסיבות מוסריות, כמו גם בשל עלות גבוהה מאוד. בגלל כמה מרכזי המוח שתל microelectrode מערכים בקופים למטרות מחקר, ובגלל במרכזים אלה להשתמש בעלי חיים מעטים בכל פעם (בגלל העלות של הקופים עצמם ארוך ואת שדורשת אימון חקר המוח הזה עם קופים כרוכה בדרך כלל), הדרכה עבור microelectrode מערך ההשתלה אצל קופים אינו אופציה עבור רוב המנתחים. באמצעות בעלי חיים קטנים, כמו מכרסמים, אפילו חתולים או ארנבים, יסור מדי או דמוי ריאליזם. אחד היתרונות הפוטנציאליים של מודלים בעלי חיים הוא ריפוי רקמות מאפשרת לחזור על כל תהליך יותר מפעם אחת במהלך תקופת החיים של החיה. במודל גווייה האנושית, יכול לחזור את כל ההליך פעם לכל האונה. זה נאמר, גולגולת אינו מציג כל קושי מסוים נוירוכירורג מיומן. ובלבד הניתוח הוא גדול מספיק, המדרגות ספציפי של הדום קיבוע microelectrode מיצוב ואת ההכנסה ניתן לחזור על לעיתים קרובות לפי הצורך במהלך הפעלה נתון, מתן הזדמנות אילוף מנתח אחד או יותר. לכן, אנחנו חושבים כי גופות משומרת של בני אדם הם המודל המתאים ביותר לאמן מנתחים להשתיל מערכים microelectrode.

פריצות דרך האחרונות בפיתוח BCI מציעה מערכים microelectrode יכול לייצג תוספת משמעותית קלינית טיפולית, משקמת הפתרונות הם מגבלה הזמינים כיום עבור חולים עם מנוע חמור או תקשורתי 11 , 13 , 44. בעתיד הקרוב, אולי ההשתלה של מערכים microelectrode ובכך להפוך חלק נדרשת ההכשרה של נוירוכירורגים. ליטושים בעיצוב של microelectrodes עצמם, יחד עם שיפורים חיבור האלקטרודות למחשב עיבוד אותות עצביים (כנראה דרך חיבורים אלחוטיים), תפחית את invasiveness של מערכים microelectrode ו לשפר עוד יותר את השימושיות שלהם עבור הרופאים, המטופלים והן המטפלים בהם.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

המחברים אין לחשוף.

Acknowledgments

המחברים מודים על ד ר רוב פרנקלין (Blackrock מיקרוסיסטמס), פרופסור Margitta Seeck (המחלקה לנוירולוגיה, בתי חולים אוניברסיטאיים ג'נבה, ז'נבה, שוויץ), ד ר אנדריאה ברטולי, פרופסור קרל Schaller (המחלקה הנוירוכירורגית, אוניברסיטת ז'נבה בתי חולים, ז'נבה, שוויץ), מר Florent Burdin ואת פרופסור ג'ון פ' Donoghue (מרכז Wyss ביו, Neuroengineering, ז'נבה, שוויץ) על תמיכתם בהכנת העבודה הנוכחית.

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

DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

  1. 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).
  2. Jones, K. E., Campbell, P. K., Normann, R. A. A glass/silicon composite intracortical electrode array. Ann. Biomed. Eng. 20 (4), 423-427 (1992).
  3. 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).
  4. Csicsvari, J., et al. Massively parallel recording of unit and local field potentials with silicon-based electrodes. J. Neurophysiol. 90 (2), 1314-1314 (2003).
  5. 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).
  6. 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).
  7. 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).
  8. Maynard, E. M., et al. Neuronal interactions improve cortical population coding of movement direction. J. Neurosci. 19 (18), 8083-8093 (1999).
  9. 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).
  10. Hochberg, L. R., et al. Neuronal ensemble control of prosthetic devices by a human with tetraplegia. Nature. 442 (7099), 164-171 (2006).
  11. Hochberg, L. R., et al. Reach and grasp by people with tetraplegia using a neurally controlled robotic arm. Nature. 485 (7398), 372 (2012).
  12. 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).
  13. 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).
  14. Seeck, M., Schomer, D. L., Niedermeyer, E. Intracranial Monitoring: Depth, Subdural, and Foramen Ovale Electrodes. Niedermeyer’s Electroencephalogr. , 677-714 (2011).
  15. Truccolo, W., et al. Single-neuron dynamics in human focal epilepsy. Nat. Neurosci. 14 (5), 635-641 (2011).
  16. Truccolo, W., et al. Neuronal ensemble synchrony during human focal seizures. J. Neurosci. 34 (30), 9927 (2014).
  17. Keller, C. J., et al. Heterogeneous neuronal firing patterns during interictal epileptiform discharges in the human cortex. Brain. 133 (Pt 6), 1668-1681 (2010).
  18. Schevon, C. A., et al. Evidence of an inhibitory restraint of seizure activity in humans. Nat. Commun. 3, 1060 (2012).
  19. Weiss, S. A., et al. Ictal high frequency oscillations distinguish two types of seizure territories in humans. Brain. 136 (Pt 12), 3796-3808 (2013).
  20. Cash, S. S., Hochberg, L. R. The Emergence of Single Neurons in Clinical Neurology. Neuron. 86 (1), 79-91 (2015).
  21. Donoghue, J. P. Bridging the brain to the world: a perspective on neural interface systems. Neuron. 60 (3), 511-521 (2008).
  22. 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).
  23. 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).
  24. 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).
  25. 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).
  26. 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).
  27. 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).
  28. 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).
  29. Cash, S. S., et al. The human K-complex represents an isolated cortical down-state. Science. 324 (5930), 1084-1087 (2009).
  30. Olabe, J., Olabe, J., Sancho, V. Human cadaver brain infusion model for neurosurgical training. Surg. Neurol. 72 (6), 700-702 (2009).
  31. 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).
  32. 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).
  33. 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).
  34. 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).
  35. 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).
  36. 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).
  37. Krishnamurthy, S., Powers, S. K. The use of fabric softener in neurosurgical prosections. Neurosurgery. 36 (2), 420-3-4at (1995).
  38. 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).
  39. 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).
  40. 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).
  41. 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).
  42. 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).
  43. 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).
  44. 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).

Tags

רפואה גיליון 129 נוירוכירורגיה Microelectrode מערכים ממשקי מחשב-מוח תרגולי דגם גווייה אנושי קיבוע פורמלדהיד
אימוני ניתוח ההשתלה של מערכים Neocortical Microelectrode באמצעות מודל של פורמלדהיד-קבוע גווייה אנושי
Play Video
PDF DOI DOWNLOAD MATERIALS LIST

Cite this Article

Mégevand, P., Woodtli, A.,… More

Mégevand, P., Woodtli, A., Yulzari, A., Cosgrove, G. R., Momjian, S., Stimec, B. V., Corniola, M. V., Fasel, J. H. D. Surgical Training for the Implantation of Neocortical Microelectrode Arrays Using a Formaldehyde-fixed Human Cadaver Model. J. Vis. Exp. (129), e56584, doi:10.3791/56584 (2017).

Less
Copy Citation Download Citation Reprints and Permissions
View Video

Get cutting-edge science videos from JoVE sent straight to your inbox every month.

Waiting X
Simple Hit Counter