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Medicine

एक Formaldehyde-फिक्स्ड मानव शव मॉडल का उपयोग कर Neocortical Microelectrode arrays के आरोपण के लिए शल्य चिकित्सा प्रशिक्षण

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

हम एक प्रक्रिया है जिसमें एक formaldehyde-फिक्स्ड मानव शव मानव मस्तिष्क के neocortex में microelectrode arrays के आरोपण के लिए प्रशिक्षण में न्यूरोसर्जनों की सहायता करने के लिए प्रयोग किया जाता है बनाया है ।

Abstract

इस प्रोटोकॉल का वर्णन एक प्रक्रिया मानव मस्तिष्क के neocortex में microelectrode arrays के आरोपण के लिए प्रशिक्षण में सर्जनों की सहायता के लिए । हाल ही में तकनीकी प्रगति microelectrode arrays कि मानव मस्तिष्क के neocortex में कई व्यक्ति ंयूरॉंस की गतिविधि की रिकॉर्डिंग की अनुमति के निर्माण में सक्षम है । इन arrays को न्यूरॉन्स स्वास्थ्य और रोग में मस्तिष्क समारोह के संबद्ध पर अद्वितीय अंतर्दृष्टि लाने की क्षमता है । इसके अलावा, इच्छाशक्ति की पहचान और डिकोडिंग न्यूरॉनिंग गतिविधि मस्तिष्क कंप्यूटर इंटरफेस स्थापित करने के लिए संभावना को खोलता है, और इस प्रकार खो स्नायविक कार्यों को बहाल करने में मदद कर सकता है. neocortical microelectrode arrays के आरोपण एक इनवेसिव एक ऊपर अर्थ का उपसर्ग-centimetric craniotomy और cortical सतह के जोखिम की आवश्यकता प्रक्रिया है; इस प्रकार, प्रक्रिया एक पर्याप्त रूप से प्रशिक्षित न्यूरोसर्जन द्वारा किया जाना चाहिए । आदेश में शल्य चिकित्सा प्रशिक्षण के लिए एक अवसर प्रदान करने के लिए, हम एक मानव शव मॉडल के आधार पर एक प्रक्रिया तैयार की । एक formaldehyde का उपयोग-फिक्स्ड मानव शव सिर, खोपड़ी, मेनिन्जेस और मस्तिष्क की macroscopic संरचना के संरक्षण जबकि जानवरों (विशेष रूप से गैर मानव रहनुमाओं) पर शल्य चिकित्सा अभ्यास की व्यावहारिक, नैतिक और वित्तीय कठिनाइयों को नजरअंदाज सतह और अनुमति यथार्थवादी, ऑपरेटिंग कमरे-स्थिति और इंस्ट्रूमेंटेशन की तरह । इसके अलावा, एक मानव शव का उपयोग किसी भी गैर मानव मॉडल से नैदानिक दैनिक अभ्यास के करीब है । cadaveric सिमुलेशन की प्रमुख कमियां मस्तिष्क स्पंदन और रक्त और मस्तिष्कमेरु द्रव संचलन के अभाव हैं । हमारा सुझाव है कि एक formaldehyde-फिक्स्ड मानव शव मॉडल एक पर्याप्त, व्यावहारिक और लागत प्रभावी दृष्टिकोण के लिए जीवित मानव neocortex में microelectrode arrays प्रत्यारोपित करने से पहले उचित शल्य चिकित्सा प्रशिक्षण सुनिश्चित करने के लिए है ।

Introduction

हाल के वर्षों में कई व्यक्तिगत ंयूरॉंस की गतिविधि की रिकॉर्डिंग की चुनौती के लिए तकनीकी समाधान के विकास में देखा है जीवित मस्तिष्क1,2,3। सिलिकॉन आधारित microelectrode arrays संकेत गुणों के संदर्भ में पारंपरिक तार microelectrodes करने के लिए इसी तरह करते हैं, और वे मस्तिष्क ऊतक के एक छोटे पैच में ंयूरॉंस के सैकड़ों करने के लिए दर्जनों से रिकॉर्ड कर सकते है4,5, ६ , 7. Microelectrode arrays वैज्ञानिकों को बंदरों और बांह आंदोलनों8, जो बारी में मस्तिष्क के विकास को बढ़ावा प्रदान की है की प्राथमिक मोटर प्रांतस्था में तंत्रिका गतिविधि के बीच पत्राचार स्थापित करने की अनुमति दी है कंप्यूटर इंटरफ़ेस (BCIs)9।

Microelectrode arrays दो स्थितियों में मनुष्यों में इस्तेमाल किया गया है: जीर्ण प्रत्यारोपण के रूप में BCIs नियंत्रण और अर्द्ध जीर्ण प्रत्यारोपण के रूप में मिर्गी से पीड़ित रोगियों में व्यक्तिगत ंयूरॉंस की गतिविधि का अध्ययन करने के लिए । जीर्ण प्रत्यारोपण, प्राथमिक मोटर प्रांतस्था में हाथ के कार्यात्मक प्रतिनिधित्व लक्ष्यीकरण, tetraplegia से पीड़ित रोगियों की अनुमति दी है एक रोबोट हाथ या कंप्यूटर कर्सर की गति को नियंत्रित करने के लिए10,11,12 ,13. अर्द्ध जीर्ण प्रत्यारोपण, दवा प्रतिरोधी मिर्गी के साथ रोगियों में अवदृढ़तानिकी electrocorticography (ECOG) इलेक्ट्रोड के साथ एक साथ डाला जो मिर्गी सर्जरी के लिए उंमीदवारों रहे हैं14, से पहले एकल इकाई रिकॉर्डिंग की अनुमति दें, के दौरान और बरामदगी के बाद, और के दौरान एक ंयूरॉंस की गतिविधि पर प्रकाश डाला शुरू कर दिया है और मिरगी बरामदगी के बीच में15,16,17,18,19। Microelectrode arrays को काफी क्षमता है कि कैसे एक ंयूरॉंस की गतिविधि के बीच एक लिंक की स्थापना के द्वारा मस्तिष्क कार्यों की हमारी समझ में सुधार, एक हाथ पर, और धारणाओं, आंदोलनों और मनुष्य के विचार, दोनों के स्वास्थ्य में और में रोग, अन्य20,21पर ।

सिलिकॉन आधारित microelectrode arrays अब व्यावसायिक रूप से उपलब्ध है और मनुष्यों में उनके उपयोग के अर्द्ध जीर्ण मिर्गी संकेत में संयुक्त राज्य अमेरिका में विनियामक अधिकारियों द्वारा अनुमोदित किया गया है । हालांकि, इन उपकरणों आक्रामक रहे है और मस्तिष्क में डाला जाना चाहिए । अनुचित प्रविष्टि तकनीक के नकारात्मक परिणाम, उपकरण की विफलता से परे ंयूरॉंस गतिविधि रिकॉर्ड करने के लिए, मस्तिष्क नकसीर और संक्रमण, लंबे समय से स्थाई या स्थाई स्नायविक रोग के लिए क्षमता के साथ शामिल हैं । हालांकि microelectrode सरणी आरोपण की जटिलता दर वर्तमान में अज्ञात है, intracranial electroencephalography (ईईजी) macroelectrodes के आरोपण के दौरान संभावित गंभीर जटिलताओं की दर 1-5%22है, 23. इसलिए, microelectrode arrays के उचित आरोपण दोनों व्यापक तंत्रिकाशल्यक कौशल और प्रक्रिया विशेष प्रशिक्षण की आवश्यकता है ।

सर्जनों के लिए उपलब्ध दृष्टिकोण एक सुरक्षित वातावरण में microelectrode arrays के साथ अपने कौशल सान गैर मानव स्तनधारी और मानव cadavers शामिल हैं । आदर्श प्रशिक्षण मॉडल ईमानदारी से आकार और मानव खोपड़ी की मोटाई पुन: उत्पन्न होगा; इस बाडी की मुश्किलें और संवहनी असर; gyrification पैटर्न, निरंतरता और मानव मस्तिष्क की धड़कन; परिसंचारी रक्त और मस्तिष्कमेरु द्रव की उपस्थिति; और एक ऑपरेटिंग कमरे में विषय की कुल स्थिति (या)-पर्यावरण की तरह । इस प्रकार, पशु मॉडल सर्जनों के लिए एक सार्थक अनुभव प्रदान करने के लिए एक पर्याप्त आकार का होना चाहिए । बड़े गैर मानव रहनुमाओं निकटतम आते हैं, लेकिन शल्य चिकित्सा प्रशिक्षण के लिए उनका उपयोग एक नैतिक नजरिए से दोनों और क्योंकि वे महंगे है टिकाऊ है । मूषक अपने छोटे आकार के कारण विचार दर्ज नहीं करते; यहां तक कि बिल्लियों या खरगोशों का उपयोग एक या जैसे वातावरण से काफी हट कर मतलब है ।

मानव cadavers एक आकर्षक विकल्प का प्रतिनिधित्व करते हैं । उनके फायदे जीवन की तरह आकार और सिर और मस्तिष्क के आकार और एक या जैसे वातावरण में शल्य चिकित्सा प्रशिक्षण की स्थापना की संभावना शामिल हैं । एक यथार्थवादी स्थिति से सबसे स्पष्ट प्रस्थान मस्तिष्क स्पंदन और खून बह रहा है और पहलू और शरीर के ऊतकों कि शव संरक्षण24के लिए कार्यरत तकनीक के लिए विशिष्ट है के निर्वाह में संशोधनों के अभाव हैं । ताजा जमे हुए cadavers कई अंगों और ऊतकों की निरंतरता और लचीलेपन को कुछ हद तक संरक्षित करते हैं, लेकिन उनमें कई कमियां होती हैं: वे जैसे ही गल कर शुरू हो जाती हैं, ऐसा करने से मस्तिष्क एक microelectrode के सम्मिलन के लिए नीचा हो जाता है । सरणी वास्तविक प्रदर्शन किया जाना है, और वे एक अपेक्षाकृत दुर्लभ और महंगी संसाधन हैं । Formaldehyde-फिक्स्ड cadavers, दूसरी ओर, और अधिक किफायती और उपलब्ध है और अधिक टिकाऊ, कठोर ऊतक निरंतरता की कीमत पर ।

यहां, हम एक formaldehyde-फिक्स्ड मानव शव मॉडल का उपयोग करने के लिए एक neocortical microelectrode सरणी के आरोपण के लिए तंत्रिकाशल्यक प्रशिक्षण प्रदान प्रक्रिया की स्थापना । हमारे दृष्टिकोण यथार्थवादी, या स्थिति और इंस्ट्रूमेंटेशन की तरह की अनुमति देता है; प्रदर्शन craniotomy और durotomy और neocortical सतह को उजागर; craniotomy पड़ोसी खोपड़ी हड्डी को इलेक्ट्रोड कुरसी संलग्न; और neocortex में एक वायवीय प्रभाव के साथ microelectrode सरणी डालने25। गंभीर, यह सर्जनों microelectrode सरणी के सटीक संरेखण अभ्यास करने के लिए सक्षम बनाता है (जो व्यक्तिगत रूप से अछूता सोने के तारों का एक बंडल द्वारा इलेक्ट्रोड कुरसी से जुड़ा है) neocortical सतह के समानांतर26. हमारे प्रोटोकॉल ईमानदारी microelectrode सरणी प्रत्यारोपण के रोगियों को जो मिर्गी सर्जरी के लिए उंमीदवारों में ECOG आरोपण के साथ एक साथ के संकेत प्रतिकृति । आरोपण सर्जरी के विवरण microelectrode सरणी का सही प्रकार से काफी प्रभावित कर रहे हैं; यहां, हम एक सरणी है कि हाल ही में संयुक्त राज्य अमेरिका में मनुष्यों में उपयोग के लिए विनियामक अनुमोदन प्राप्त की प्रक्रिया का वर्णन । तथाकथित यूटा सरणी एक 4x4 mm, १०० microelectrode ग्रिड शामिल हैं; एक transcutaneous कुरसी जो खोपड़ी के बाहरी टेबुल से जुड़ी हुई है; और एक तार दोनों को जोड़ने बंडल ।

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Protocol

इस कार्य में प्रयुक्त मानव शव चिकित्सा शिक्षा के लिए शरीर दान के ढांचे के तहत प्रदान किया गया था । शरीर दान के लिए सूचित सहमति दाता के जीवनकाल के दौरान लिखित में प्राप्त किया गया था । संघीय और गुआंगज़ौ कानून के अनुसार, एक नैतिकता समिति द्वारा कोई समीक्षा आवश्यक था ।

नोट: इस प्रोटोकॉल मानता है कि अभ्यास सर्जरी प्रदर्शन कर रहे व्यक्तियों के प्रशिक्षण और मानक तंत्रिकाशल्यक प्रक्रियाओं में विशेषज्ञता, रोगी स्थिति और सिर निर्धारण, craniotomy और durotomy, और suturing सहित के साथ न्यूरोसर्जनों हैं । microelectrode सरणी के लिए विशिष्ट उपकरणों और उपकरणों के अलावा, मानक तंत्रिकाशल्यक उपकरण और उपकरणों का उपयोग किया जाता है ।

1. शव और ऑपरेटिंग कमरे के सेटअप का चयन

  1. रोग या सिर, खोपड़ी और मस्तिष्क को चोट का कोई इतिहास के साथ एक नमूना का चयन करें ।
    1. वैकल्पिक रूप से, शव के सिर की एक गणना टोमोग्राफी (सीटी) स्कैन करने के लिए सुनिश्चित करें कि कोई महत्वपूर्ण intracranial घाव (चित्र 1a), जैसे जीर्ण अवदृढ़तानिकी रक्तगुल्म या एक अंतर-अक्षीय विशाल घाव है । सीटी स्कैन का उपयोग करना, microelectrode सरणी के आरोपण के लिए एक लक्ष्य cortical क्षेत्र की पहचान (जैसे कि "हाथ घुंडी" क्षेत्र के रूप में, प्राथमिक मोटर प्रांतस्था में हाथ के प्रतिनिधित्व के लिए इसी गाइरस, प्रशिक्षण के मामले में27 एक बीसीआई के आरोपण के लिए) ।
  2. एक ऑपरेटिंग मेज पर पार्श्व decubitus में स्थिति शव । एक विच्छेदन तालिका के बजाय एक ऑपरेटिंग टेबल का प्रयोग करें या की तरह पर्यावरण के यथार्थवाद को जोड़ने के लिए और खोपड़ी दबाना और वायवीय प्रभाव के निर्धारण की सुविधा । पार्श्व decubitus में शव स्थिति में क्रम में fronto एक formaldehyde-फिक्स्ड शव, जिसमें गर्दन रोटेशन सीमित है में लौकिक दृष्टिकोण की अनुमति है ।
  3. खोपड़ी क्लैंप (चित्र 1b) में सिर को ठीक करें । सर्जिकल पर्दे (चित्रा 1C) के साथ कवर ।
    नोट: हमारे मामले में, खोपड़ी दबाना के पीछे पिन असामांय रूप से सिर के sagittal विमान में तैनात है ( चित्र 1bदेखें), क्योंकि हम एक खोपड़ी दबाना है कि शल्य चिकित्सा प्रशिक्षण प्रयोजनों के लिए संशोधित किया गया था एक cadaveric आराम से अलग सिर पकड़ ।
    1. एक ऑपरेटिंग मेज पर एक मानक खोपड़ी दबाना का उपयोग करते समय, पीछे sagittal विमान को सीधा सिर सुरक्षा पिन जगह है ।

2. neocortical सतह के एक्सपोजर

  1. काटकर एक स्केलपेल का उपयोग कर खोपड़ी, एक प्रश्न के बाद-निशान चीरा लौकिक और ललाट हड्डियों का पर्दाफाश करने के लिए । टुकड़े चीरा के पीछे किनारे के साथ temporalis मांसपेशी । झुकना खोपड़ी और temporalis मांसपेशी कुंद विच्छेदन (चित्र 1 d) द्वारा ।
  2. एक बड़ा वर्ग fronto-लौकिक craniotomy, 5 x 5 सेमी (चित्र 2a) उदा प्रदर्शन करें । उस प्रयोजन के लिए, इरादा craniotomy के कोनों पर चार गड़गड़ाहट छेद ड्रिल । फिर, गड़गड़ाहट छेद कनेक्ट करने के लिए craniotome का उपयोग करें । एक रंग का उपयोग कर हड्डी प्रालंब निकालें, बाडी मेटर को उजागर । खारा समाधान में अस्थि प्रालंब स्टोर ।
  3. बाडी कैंची (figure b) का उपयोग कर craniotomy के तीन तरफ बाडी मेटर खोलें । यह झुकना और रेशेदार झिल्ली और सेरेब्रल neocortex की सतह (चित्रा 2c) का पर्दाफाश.

3. इलेक्ट्रोड कुरसी का निर्धारण

  1. एक cortical गाइरस का चयन करें जहां microelectrode सरणी प्रत्यारोपित किया जाएगा । एक gyral सतह का चयन करें कि लगभग सपाट है ताकि microelectrode सरणी इसके साथ फ्लश जब डाला झूठ होगा । सुनिश्चित करें कि जहां microelectrode सरणी डाला जाएगा cortical सतह पर कोई दिखाई रक्त वाहिका दौड़ है ।
  2. craniotomy की सुपीरियर एज पर इलेक्ट्रोड कुरसी के निर्धारण के लिए एक साइट का चयन करें, त्वचा चीरा के करीब है, और तार बंडल के लिए पर्याप्त सुस्त की अनुमति है ताकि microelectrode सरणी लक्ष्य गाइरस तक पहुँच सकते हैं. craniotomy (चित्रा 2d) के बगल में खोपड़ी की हड्डी के बाहरी मेज पर कुरसी पेंच । उचित निर्धारण सुनिश्चित करने के लिए 6 से 8 आत्म दोहन cortical हड्डी शिकंजा (6 मिमी लंबाई, 2 मिमी व्यास) का उपयोग करें ।
    1. जब आसन हेर, हमेशा सुनिश्चित करें कि microelectrode सरणी कुछ भी स्पर्श नहीं करता है (यह क्षतिग्रस्त हो सकता है या neocortical सतह रुखा सकता है) तार बंडल प्लास्टिक के साथ चिमटी के साथ microelectrode सरणी के करीब पकड़ कर-या रबर लेपित युक्तियां (चित्रा 2E) ।

4. पोजिशनिंग और microelectrode सरणी के सम्मिलन

  1. लक्ष्य गाइरस की सतह के साथ microelectrode सरणी समानांतर स्थिति । उस प्रयोजन के लिए आवश्यक के रूप में तार बंडल मोड़ (आंकड़ा 3ए).
    नोट: कड़ी वायर बंडल आसानी से सर्जन की इच्छाओं के अनुरूप नहीं है । देखभाल और धैर्य microelectrode सरणी और cortical सतह के अच्छे संरेखण प्राप्त करने के लिए आवश्यक हैं ।
    1. वैकल्पिक रूप से, खोपड़ी के लिए तार बंडल सुरक्षित और लक्ष्य गाइरस की ओर अपने पाठ्यक्रम को नियंत्रित करने के लिए "कुत्ते की हड्डी" टाइटेनियम पट्टियों का उपयोग करें । तार बंडल हानिकारक से बचने के लिए पट्टा भी कसकर पेंच मत करो ।
  2. microelectrode सरणी (चित्र बी) के पीछे के साथ अनुमानित संरेखण में वायवीय प्रभाव लाओ । इसके नियंत्रण बॉक्स के लिए वायवीय प्रभाव के कनेक्शन को नियंत्रित करें, और उसके बाद नियंत्रण बॉक्स को चालू करें ।
    ध्यान दें: यह सुनिश्चित करें कि वायवीय प्रभाव पर नियंत्रण बॉक्स को चालू करने से पहले सरणी से कम से 5 मिमी दूर है, वायवीय प्रभाव के रूप में पहली बार चालू होने पर ट्रिगर किया जा सकता है.
  3. microelectrode सरणी (चित्र बी, इनसेट) के पीछे के साथ प्रभाव है संरेखण को परिष्कृत करने के लिए वायवीय प्रभाव धारक के millimetric शिकंजा का प्रयोग करें । प्रभाव का उपयोग करना, एक भ्रमण दूरी लागू-और microelectrode सरणी के पीछे करने के लिए दबाव नियंत्रित नल और cortical सतह में डालने, यह रेशेदार झिल्ली के माध्यम से धक्का.
    नोट: जांच करें कि microelectrode सरणी cortical सतह के साथ फ्लश है ।

5. अवदृढ़तानिकी ECOG ग्रिड की स्थिति

नोट: यह चरण वैकल्पिक है ।

  1. उजागर cortical सतह पर एक अवदृढ़तानिकी ECOG ग्रिड की स्थिति (चित्रा 3 डी). यदि आवश्यक हो, तो ECOG ग्रिड के समग्र आकार craniotomy फिट बैठता है ताकि ग्रिड के माध्यम से काटने से इलेक्ट्रोड को हटा दें ।
  2. ओरिएंट ECOG ग्रिड ताकि उसके तारों बाडी मेटर और खोपड़ी बेहतर या पीछे से बाहर निकलें होगा ।
  3. यह cortical सतह के साथ संपर्क में रखने से पहले खारा के साथ ECOG ग्रिड सिंचाई ।
  4. इसे durotomy के किनारों पर बाडी मेटर में suturing करके ECOG ग्रिड को सुरक्षित करें ।

6. का स्थान और बाडी मेटर, हड्डी प्रालंब, और त्वचा प्रालंब के बंद

  1. बाडी मेटर को उजागर cortical सतह पर वापस प्रतिबिंबित करें और इसे durotomy के किनारों पर टांका लें ।
  2. पेंच "कुत्ते की हड्डी" आत्म दोहन cortical हड्डी शिकंजा का उपयोग कर हड्डी प्रालंब के किनारों पर टाइटेनियम पट्टियाँ । craniotomy के भीतर हड्डी प्रालंब की स्थिति । "कुत्ते की हड्डी" टाइटेनियम पट्टियाँ और आत्म दोहन cortical हड्डी शिकंजा के साथ पड़ोसी खोपड़ी हड्डियों के लिए अस्थि प्रालंब सुरक्षित । ध्यान रखना microelectrode सरणी के तार बंडल को कुचलने के लिए नहीं (और उन वैकल्पिक ECOG ग्रिड के) अस्थि किनारों के बीच.
  3. प्रतिबिंबित और त्वचा प्रालंब टांका । इलेक्ट्रोड कुरसी (चित्रा 3E) की गर्दन के आसपास त्वचा चीरा बंद करो ।
    1. वैकल्पिक रूप से, कुरसी एक अलग छुरा खोपड़ी प्रालंब में किए गए चीरा के माध्यम से खोपड़ी निकास करने की अनुमति ।

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Representative Results

हमारे प्रोटोकॉल एक formaldehyde-निर्धारण मानव शव मॉडल का उपयोग करता है सर्जनों के लिए एक यथार्थवादी, या जैसे वातावरण में मस्तिष्क neocortex में एक microelectrode सरणी प्रत्यारोपित की शल्य प्रक्रिया का अभ्यास करने की अनुमति । सिर सीटी जैसे पोस्टमार्टम neuroimaging के प्रदर्शन का विकल्प किसी भी महत्वपूर्ण intracranial घावों (चित्र 1a) के अभाव की पुष्टि करेगा और आरोपण स्थल के चयन में मदद कर सकता है । एक पूरे नमूना के साथ कार्य करना और एक ऑपरेटिंग टेबल पर शल्य चिकित्सा के लिए स्थापित करने से प्रशिक्षण प्रक्रिया का यथार्थवाद बढ़ जाता है (चित्र 1b-1C) । हालांकि formaldehyde निर्धारण कुछ हद तक रंग, बनावट और शरीर के ऊतकों की जकड़न बदल, शल्य प्रक्रिया के प्रत्येक कदम neocortical सतह का पर्दाफाश करने के लिए (त्वचा चीरा, craniotomy और durotomy) आसानी से किया जा सकता है मानक के अनुसार तंत्रिकाशल्यक अभ्यास (चित्रा 1 डी और चित्रा 2a-2c).

शल्य प्रक्रिया है कि microelectrode सरणी के लिए विशिष्ट है के कदम बहुत इसी तरह vivo स्थिति में आगे बढ़ना । पहला कदम craniotomy ( चित्रा 2d-2E) के पास खोपड़ी की हड्डी के लिए इलेक्ट्रोड कुरसी पंगा लेना के होते हैं । neocortical सतह के साथ संरेखण में microelectrode सरणी लाना प्रक्रिया (चित्र 3ए)26के सबसे नाजुक चरणों में से एक है । स्थिति और वायवीय प्रभाव के आपरेशन भी यथार्थवादी फैशन (चित्र बी) में प्रदर्शन कर रहे हैं । हमारे प्रशिक्षण प्रोटोकॉल इन महत्वपूर्ण चरणों के साथ प्रयोग करने के लिए सर्जन के लिए पर्याप्त अवसर प्रदान करता है । सजीव यथार्थवाद से एक प्रस्थान एक शव मॉडल में मस्तिष्क स्पंदन के अभाव है (थोड़ा ऊपर की ओर और उजागर neocortical दिल की धड़कन और सांस लेने के कारण की सतह के नीचे आंदोलनों) । फिर भी, प्रशिक्षण प्रोटोकॉल के अंतिम परिणाम (चित्रा 3सी-3E) बारीकी से वास्तविक जीवन की स्थिति26reproduces ।

यदि दो सर्जन द्वारा किया जाता है, microelectrode सरणी आरोपण के लिए औसत ऑपरेटिव समय 30 मिनट के तहत है, के रूप में भी26दूसरों के द्वारा की सूचना दी ।

Figure 1
चित्र 1 . ऑपरेटिंग कमरे की तरह वातावरण की स्थापना । (A) सिर सीटी स्कैन किसी भी महत्वपूर्ण intracranial घावों के अभाव की पुष्टि कर सकते हैं । (ख) खोपड़ी क्लैंप में सिर की स्थिति । (ग) सिर में कपड़ा । नमूने की नाक सही तस्वीर के लिए है, occiput को छोड़ दिया है । (घ) काटकर और झुकना खोपड़ी और temporalis बलवान । कृपया यहां क्लिक करें इस आंकड़े का एक बड़ा संस्करण को देखने के लिए ।

Figure 2
चित्र 2 . neocortical सतह को उजागर करने और इलेक्ट्रोड कुरसी संलग्न. (क) एक बड़ा वर्ग craniotomy करते हैं. (B) durotomy निष्पादित करें । (C) बाडी मेटर को प्रतिबिंबित करती है और neocortical सतह को बेनकाब करती है । (घ) craniotomy (इनसेट: बंद हड्डी शिकंजा के साथ कुरसी के निर्धारण पर) के किनारे के पास खोपड़ी की हड्डी के लिए इलेक्ट्रोड कुरसी पेंच । (ङ) अवांछित संपर्क से नुकसान से बचने के लिए चिमटी के साथ नाजुक microelectrode सरणी पकड़ो । कृपया यहां क्लिक करें इस आंकड़े का एक बड़ा संस्करण को देखने के लिए ।

Figure 3
चित्र 3 . स्थिति और microelectrode सरणी संमिलित । (A) तार बंडल मोड़ के क्रम में cortical सतह (इनसेट: microelectrode सरणी और प्रांतस्था के संरेखण पर बंद) के साथ संरेखण में microelectrode सरणी लाने के लिए । (B) microelectrode सरणी के पीछे (इनसेट: क्लोज़ अप, प्रभावकर्ता और microelectrode सरणी के संरेखण पर) के साथ संरेखण में वायवीय प्रभाव लाते हैं । (ग) microelectrode सरणी, वायर बंडल और इलेक्ट्रोड कुरसी का अवलोकन । (D) cortical सतह पर ECOG ग्रिड की स्थिति । (ई) इलेक्ट्रोड कुरसी की गर्दन के आसपास बंद त्वचा । कृपया यहां क्लिक करें इस आंकड़े का एक बड़ा संस्करण को देखने के लिए ।

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Discussion

formaldehyde-फिक्स्ड मानव शव मॉडल और सर्जिकल प्रोटोकॉल यहां वर्णित मानव मस्तिष्क neocortex में microelectrode arrays प्रत्यारोपित की शल्य प्रक्रिया को दोहराने । प्रक्रिया के प्रत्येक कदम, microelectrode सरणी और वायवीय inserter के साथ अपने सम्मिलन की स्थिति सहित, एक वास्तविक जीवन में रोगी के रूप में लगभग एक ही फैशन में आगे बढ़ना, अपवाद के साथ कि मस्तिष्क स्पंदन और संचलन अनुपस्थित हैं. प्रोटोकॉल में महत्वपूर्ण कदम neocortical सतह के साथ microelectrode सरणी के संरेखण और प्रांतस्था में इसके प्रभाव वायवीय inserter का उपयोग कर रहे हैं । देखभाल संभव के रूप में cortical सतह के समानांतर के रूप में लगभग सरणी के लिए लिया जाना चाहिए । इस मामले में कि सरणी neocortical सतह के साथ वायवीय inserter के पहले नल के बाद झूठ नहीं है, एक अतिरिक्त नल दिया जा सकता है । प्रक्रिया के दौरान, microelectrode सरणी यांत्रिक क्षति से संरक्षित किया जाना चाहिए । नैदानिक स्थितियों में एक मानव रोगी में आरोपण के मामले में, अगर वहाँ microelectrodes, बंडल या कनेक्टर के लिए किसी भी दिखाई क्षति है, सरणी छोड़ दिया जाना चाहिए और एक दूसरे का इस्तेमाल किया.

यूटा सरणी वर्तमान में केवल neocortical microelectrode सरणी है कि मानव में उपयोग के लिए विनियामक अनुमोदन प्राप्त हुआ है । हालांकि, microelectrodes के अंय प्रकार के पशुओं में विकसित किया गया है और विशिष्ट अनुसंधान परियोजनाओं के भीतर मानव में इस्तेमाल किया जा सकता है28। प्रत्येक दृष्टिकोण अपने स्वयं के फायदे और कमियां, ज्यादातर इलेक्ट्रोड के डिजाइन से संबंधित किया जाता है । उदाहरण के लिए, यूटा सरणी, जो आवश्यकता से बाहर विकसित किया गया था की बैलिस्टिक सम्मिलन तकनीक25, की आवश्यकता है कि सरणी ठीक cortical सतह के साथ संरेखित; इस आवश्यकता को अंय microelectrodes, जो धीरे ग्रे मामले में धकेल दिया जा सकता है पर लागू नहीं करता है । कुछ इलेक्ट्रोड सभी cortical परतों की गतिविधि के लिए उपयोग की अनुमति दें29, जबकि एक एकल, पूर्व निर्धारित गहराई पर ंयूरॉंस से यूटा सरणी नमूने । यूटा सरणी के प्रमुख लाभों में से एक एक साथ दर्ज किया जा सकता है कि न्यूरॉन्स की बड़ी संख्या है, यह मोटर BCIs के लिए विशेष रूप से उपयुक्त बनाने11.

तंत्रिकाशल्यक प्रयोगशाला प्रशिक्षण पाठ्यक्रमों के लिए, cadaveric नमूनों उच्च मूल्य के मॉडल के रूप में माना जाता है, एक विशेष रूप से मानव शरीर रचना विज्ञान30,31पेश वातावरण में haptic प्रतिक्रिया की अनुमति । कोई यूनिवर्सल शव मॉडल है, तथापि, और embalming तकनीक प्रत्येक प्रक्रिया के उद्देश्यों के लिए अनुकूलित किया जाना चाहिए: नरम ऊतकों (जैसे खोपड़ी के रूप में) महत्व के हैं, या बल्कि हड्डियों, बाडी मेटर, प्रांतस्था, निलय, या रक्त वाहिकाओं३२, ३३,३४,३५,३६? ताजा या ताजा जमे हुए (cryopreserved) नमूनों, जबकि अक्सर सर्जिकल प्रक्रियाओं की एक किस्म के लिए सबसे अच्छा मॉडल के रूप में माना जाता है, संक्रामक रोगों के प्रसारण का खतरा ले । इसके अलावा, वे तेजी से क्षय31,३७,३८,३९, कम ऊतक अनुपालन, वेंट्रिकुलर पतन और pneumocephalus के बाद की वजह से एक बहुत ही सीमित काम का समय है ३५. हमारे प्रोटोकॉल के मामले में, एक कुछ फर्म cortical सतह को बनाए रखने के लिए एक आवश्यकता को microelectrode सरणी के सम्मिलन सक्षम था, इस प्रकार एक ताजा जमे हुए नमूने के उपयोग precluding । दीर्घकालिक निर्धारण और प्रभावाधीन गुण प्रदान Embalming समाधान भी व्यापक रूप से30,३३,३५,४०स्वीकार किए जाते हैं । Cadavers सुगन्धद्रव्य थिएल निर्धारण के अनुसार उच्च नरम ऊतक स्थिरता के मामले में और fascial या तंत्रिका विमानों के विकास के लिए३६माना जाता है, लेकिन मस्तिष्क के संरक्षण में यथार्थवाद४१कमी करने के लिए सोचा है । Formaldehyde-आधारित निर्धारण ऊतक stiffening और reकर्षण के रूप में के रूप में अच्छी तरह से disease३५,३६,३७का कारण बनता है । हालांकि, formaldehyde निर्धारण व्यापक रूप से उपलब्ध है और सस्ती है, और formaldehyde-फिक्स्ड cadavers बहुत टिकाऊ होते हैं । इस पत्र में प्रस्तुत संदर्भ में, कोमल formaldehyde निर्धारण की वजह से ऊतकों की सख्त है, जबकि कई शल्य चिकित्सा प्रशिक्षण पाठ्यक्रमों के लिए एक नुकसान जा रहा है (विशेष रूप से आर्थोपेडिक दृष्टिकोण के लिए), निकला एक पर्याप्त मॉडल है, एक स्थिर पेश लेकिन मस्तिष्क की भी कठोर सतह नहीं, इस प्रकार पोस्ट मार्टम मस्तिष्क पर cortical microelectrode सरणी के एक यथार्थवादी आवेदन के लिए अनुमति देता है । तकनीक formaldehyde-फिक्स्ड cadavers में रक्त और मस्तिष्कमेरु द्रव के संचलन अनुकरण करने के लिए विकसित किया गया है30,31,३९ और आदेश में आगे के लिए वर्तमान प्रोटोकॉल पूरक सकता है या जैसे पर्यावरण के यथार्थवाद में वृद्धि ।

तीन आयामी (3 डी) प्रिंटिंग हाल ही में चिकित्सा और सर्जिकल शिक्षा के लिए शरीर के अंगों की नकल के एक सुलभ और किफायती साधन बन गया है । उपंयास 3 डी मुद्रण और सिंथेटिक चिपचिपा कलाकारों का उपयोग कर मोल्डिंग स्पर्श प्रतिक्रिया के साथ एक यथार्थवादी मस्तिष्क मॉडल प्रदान करता है । इस दृष्टिकोण एक विकृत संरचना है कि एक विशेष व्यक्ति के मस्तिष्क शरीर रचना विज्ञान प्रतिलिपि मुद्रित किया जा सकता है और इस प्रकार अधिक सामांय मॉडल४२से अधिक शारीरिक सटीक प्रदान करने का लाभ है । दूसरी ओर, वहां अभी भी कठोरता और सिंथेटिक सामग्री४३के गुणों को काटने के ऊतकों के विषय में आरक्षण कर रहे हैं । इस मायने में cadaveric मॉडल एक व्यापक संरचनात्मक ढाँचा देता है, जिसमें पूरा stratigraphy ही नहीं, मस्तिष्क की सतह ही भी शामिल है.

मानव cadavers पर शल्य चिकित्सा प्रशिक्षण के लिए एक वैकल्पिक लाइव जानवरों पर अभ्यास कर रहा है । एक रहनुमा मॉडल पर एक microelectrode सरणी आरोपण, उदाहरण के लिए एक समूल बंदर, एक मानव रोगी में वास्तविक प्रक्रिया की सुविधाओं के सबसे पुन: पेश करेंगे, सर्जिकल स्थिति और मानव में इस्तेमाल किया उन लोगों के समान इंस्ट्रूमेंटेशन सहित, एक एक आकार के gyrencephalic मस्तिष्क से बहुत दूर नहीं है कि एक मानव की, और मस्तिष्क स्पंदन की उपस्थिति के रूप में के रूप में अच्छी तरह से रक्त और मस्तिष्कमेरु द्रव संचलन । हालांकि, जबकि यह तंत्रिका विज्ञान अनुसंधान के प्रयोजन के लिए बंदरों में microelectrode arrays प्रत्यारोपण स्वीकार्य है, केवल शल्य चिकित्सा प्रशिक्षण के लिए बंदरों का उपयोग व्यापक रूप से हतोत्साहित है, नैतिक कारणों के रूप में अच्छी तरह के रूप में क्योंकि उनके बहुत उच्च लागत की । क्योंकि कुछ तंत्रिका विज्ञान केंद्रों अनुसंधान प्रयोजनों के लिए बंदरों में microelectrode arrays प्रत्यारोपण, और क्योंकि इन केंद्रों एक समय में कुछ जानवरों का उपयोग करें (बंदरों खुद की लागत के कारण और लंबी और श्रम गहन प्रशिक्षण कि तंत्रिका विज्ञान अनुसंधान बंदरों के साथ आम तौर पर जरूरत पर जोर देता है), बंदरों में microelectrode सरणी आरोपण के लिए प्रशिक्षण सबसे सर्जनों के लिए एक विकल्प नहीं है । ऐसे कुतर और यहां तक कि बिल्लियों या खरगोश के रूप में छोटे जानवरों का उपयोग करना, से बहुत ज्यादा रवाना होता या-यथार्थवाद की तरह । पशु मॉडलों की एक संभावित लाभ यह है कि ऊतक चिकित्सा पूरे प्रक्रिया को दोहराने की अनुमति देता है अधिक से अधिक एक बार जानवर के जीवनकाल में । एक मानव शव मॉडल में, पूरी प्रक्रिया एक बार प्रति गोलार्द्ध दोहराया जा सकता है । यह कहा जा रहा है, craniotomy एक प्रशिक्षित न्यूरोसर्जन के लिए किसी विशेष कठिनाई उपस्थित नहीं करता है । बशर्ते कि craniotomy काफी बड़ा है, कुरसी निर्धारण और microelectrode पोजीशनिंग और प्रविष्टि के विशिष्ट कदम के रूप में अक्सर के रूप में एक दिया सत्र के दौरान वांछित दोहराया जा सकता है, एक से अधिक सर्जन के लिए एक पर्याप्त प्रशिक्षण अवसर प्रदान । इस प्रकार, हमें लगता है कि सुगन्धद्रव्य मानव cadavers सर्जनों को प्रशिक्षित करने के लिए सबसे उपयुक्त मॉडल है microelectrode arrays प्रत्यारोपण ।

बीसीआई विकास में हाल ही में सफलताओं का सुझाव है कि microelectrode arrays चिकित्सीय और दृढ समाधान है कि गंभीर मोटर या संचार विकलांग रोगियों के लिए आज उपलब्ध है के लिए एक नैदानिक महत्वपूर्ण इसके अतिरिक्त प्रतिनिधित्व सकता है 11 , 13 , ४४. निकट भविष्य में, microelectrode arrays के आरोपण इस प्रकार न्यूरोसर्जनों के प्रशिक्षण का एक आवश्यक हिस्सा बन सकता है । microelectrodes खुद के डिजाइन में शोधन, एक साथ कंप्यूटर प्रसंस्करण के लिए इलेक्ट्रोड को जोड़ने में सुधार के साथ न्यूरॉन्स संकेतों (की संभावना वायरलेस कनेक्शन के माध्यम से), microelectrode arrays की इनवेसिव कम हो जाएगा और इसके अलावा दोनों चिकित्सकों और रोगियों और उनकी देखभाल करने वालों के लिए उनके प्रयोज्य में वृद्धि ।

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Disclosures

लेखकों का खुलासा करने के लिए कुछ नहीं है ।

Acknowledgments

लेखक डॉ रोब फ्रेंकलिन (Blackrock माइक्रोसिस्टंस), प्रो Margitta Seeck (न्यूरोलॉजी, जिनेवा विश्वविद्यालय के अस्पतालों, जिनेवा, स्विट्जरलैंड) के विभाजन के आभारी हैं, डॉ Andrea बरटोली और प्रो कार्ल Schaller (न्यूरोसर्जरी, जिनेवा विश्वविद्यालय के प्रभाग अस्पतालों, जिनेवा, स्विट्जरलैंड), और श्री फ्लोरेंट Burdin और प्रो जॉन पी Donoghue (Wyss जैव और Neuroengineering, जिनेवा, स्विट्जरलैंड के लिए केंद्र) वर्तमान काम की तैयारी में उनके समर्थन के लिए ।

Materials

Name Company Catalog Number Comments
Mayfield skull clamp Integra LifeSciences, Cincinnati, OH A1059
Midas Rex MR7 system for craniotomy Medtronic, Minneapolis, MN EC300
Dura scissors Sklar Surgical Instruments, West Chester, PA 22-2742
Self-tapping bone screws OrthoMed Inc., Tigard, OR OM SYN211806
Microelectrode array and pedestal Blackrock Microsystems, Salt Lake City, UT LB-0612 Mock-up arrays are available from the manufacturer upon request
Pneumatic impacter Blackrock Microsystems, Salt Lake City, UT LB-0088
64-channel electrocorticography grid Ad-Tech Medical Instrument Corporation, Racine, WI FG64C-SP10X-0C6 Optional

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चिकित्सा अंक १२९ न्यूरोसर्जरी Microelectrode arrays मस्तिष्क कंप्यूटर इंटरफेस शल्य चिकित्सा प्रशिक्षण मानव शव मॉडल Formaldehyde निर्धारण
एक Formaldehyde-फिक्स्ड मानव शव मॉडल का उपयोग कर Neocortical Microelectrode arrays के आरोपण के लिए शल्य चिकित्सा प्रशिक्षण
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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).

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