Waiting
Login processing...

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

Medicine

Kirurgisk opplæring for implantering av Neocortical Microelectrode matriser med formaldehyd-fast menneskelige Cadaver modell

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

Vi utviklet en prosedyre som en formaldehyd-fast menneskelige cadaver brukes til å hjelpe neurosurgeons i trening for implantering av microelectrode matriser i neocortex av den menneskelige hjernen.

Abstract

Denne protokollen beskriver en fremgangsmåte for å bistå kirurger i trening for implantering av microelectrode matriser i neocortex av den menneskelige hjernen. Nyere teknologiske fremskritt har aktivert fabrikasjon av microelectrode matriser at innspillingen aktiviteten av flere individuelle neurons i neocortex av den menneskelige hjernen. Disse kjedene har potensial til å få innblikk på neuronal korrelerer cerebral funksjon i helse og sykdom. Videre identifikasjon og dekoding volitional neuronal aktivitet åpner muligheten for å etablere hjerne-computer grensesnitt, og dermed kan hjelpe gjenopprette tapt nevrologiske funksjoner. Implantering av neocortical microelectrode matriser er en invasiv prosedyre krever en supra-centimetric craniotomy og eksponering av kortikale overflaten; Dermed må prosedyren utføres av en tilstrekkelig opplært nevrokirurg. For å gi en mulighet for kirurgisk opplæring, utviklet vi en prosedyre basert på en menneskelig cadaver modell. Bruk av en formaldehyd-fast menneskelige cadaver forbigår praktiske, etiske og økonomiske vanskelighetene med kirurgisk praksis på dyr (spesielt ikke-menneskelige primater) samtidig bevare makroskopisk strukturen av hodet, skallen, meninges og cerebral overflaten og gir realistisk, operasjonsstuen-lignende plassering og instrumentering. Videre er bruk av en menneskelig cadaver nærmere daglig praksis enn noen ikke-menneskelige modell. De største ulempene med cadaveric simuleringen er fravær av cerebral pulsering og av blod og Cerebrospinalvæske sirkulasjon. Vi foreslår at formaldehyd-fast menneskelige cadaver modell er tilstrekkelig, praktisk og kostnadseffektiv tilnærming til å sikre riktig kirurgisk trening før implanting microelectrode matriser i levende menneskelige neocortex.

Introduction

De siste årene har sett utviklingen av teknologiske løsninger til utfordringen med å registrere aktiviteten til flere individuelle neurons i levende hjerne1,2,3. Silicon-basert microelectrode matriser utføre tilsvarende til konvensjonelle wire microelectrodes i egenskaper signal, og de kan ta opp fra dusinvis til hundrevis av nerveceller i en liten stripe av cerebral tissue4,5, 6 , 7. microelectrode matriser har tillot forskerne å etablere korrespondanse mellom nevrale aktivitet i primære motorisk cortex apekatter og arm bevegelser8, som i sin tur har gitt et løft til utviklingen av hjerne-computer grensesnitt (BCIs)9.

Microelectrode matriser er brukt i mennesker i to situasjoner: som kronisk implantater å kontrollere BCIs og semi kronisk implantater å studere aktiviteten til individuelle neurons i pasienter som lider av epilepsi. Kronisk implantater, målretting funksjonelle representasjon av hånden i primære motorisk cortex, har tillatt pasienter som lider av tetraplegia å kontrollere bevegelse av en robotarm eller datamaskinen markører10,11,12 ,13. Semi kronisk implantater, satt sammen med subdural electrocorticography (ECOG) elektroder hos pasienter med stoff-resistent epilepsi som er kandidater for epilepsi kirurgi14, tillate enheter opptakene før, under og etter beslag, og har begynt å kaste lys over aktiviteten til enkelt neurons under og mellom epileptiske anfall,15,,16,,17,,18,,19. Microelectrode matriser har potensial til å forbedre vår forståelse av hvordan hjernen fungerer ved å etablere en kobling mellom aktiviteten av neurons, på den ene siden, og oppfatninger, bevegelser og tanker av mennesker, både i helse og sykdom, på andre20,21.

Silicon-basert microelectrode matriser er nå tilgjengelig kommersielt og deres bruk i mennesker er godkjent av myndighetene i USA i semi kronisk epilepsi indikasjon. Men disse enhetene er invasiv og må settes inn i hjernen. De negative konsekvensene av bli teknikk, utover svikt i enheten til nevronale aktiviteten, inkluderer hjerneblødning og infeksjon, med potensial for langvarige eller permanente Nevrologisk dysfunction. Selv om komplikasjoner av microelectrode matrise implantasjon er foreløpig ukjent, er potensielt alvorlige komplikasjoner under implantering av intrakranielt Elektroencefalogram (EEG) macroelectrodes 1-5%22, 23. derfor riktig implantering av microelectrode matriser krever både omfattende neurosurgical ferdigheter og prosedyre-spesifikk opplæring.

Tilnærminger tilgjengelig for kirurger å finpusse sine ferdigheter med microelectrode matriser i et trygt miljø inkluderer ikke-menneskelige pattedyr og menneskelige levningene. Den ideelle modellen vil gjengi størrelsen og tykkelsen på den menneskelige kraniet; seighet og vaskulær forgrening av dura; gyrification mønster, konsekvent og pulsering av den menneskelige hjernen; tilstedeværelsen av sirkulerende blod og Cerebrospinalvæske; og generelle emnet i en operasjonsstuen (OR)-som miljø. Dermed må dyremodeller være tilstrekkelig størrelse å gi en meningsfull erfaring til kirurgene. Store ikke-menneskelige primater kommer, men deres bruk for kirurgisk opplæring er bærekraftig både fra et etisk perspektiv og fordi de er dyre. Gnagere angir ikke vurdering på grunn av sin lille størrelse; selv kattene eller kanin innebærer avviker betydelig fra en OR-lignende miljø.

Menneskelige levningene representerer et attraktivt alternativ. Deres fordeler inkluderer livet som størrelsen og formen på hodet og hjernen og muligheten for å sette opp kirurgisk opplæring i OR-lignende miljø. De mest åpenbare avganger fra en realistisk situasjon er fravær av cerebral pulseringer og blødning og endringene i aspektet og konsistens av kroppens vev som er spesifikke for teknikken ansatt cadaver bevaring24. Frisk-frosne levningene bevare konsistens og fleksibiliteten til mange organer og vev til en viss grad, men de har flere ulemper: de begynner nedverdigende snarest tining begynner, slik at hjernen blir også degradert for innsetting av en microelectrode matrise utføres realistisk, og de er en relativt sjelden og kostbar ressurs. Formaldehyd-fast levningene, derimot, er mer rimelig og tilgjengelig og mye mer holdbar, på bekostning av herdet vev konsistens.

Her etablere vi en prosedyre med formaldehyd-fast menneskelige cadaver modell for å gi neurosurgical trening for implantering av en neocortical microelectrode matrise. Vår tilnærming kan realistisk, OR-lignende plassering og instrumentering; craniotomy og durotomy og utsette neocortical overflaten; feste sokkelen elektrode skallen beinet nabokommunene craniotomy; og sette microelectrode matrisen inn neocortex med en pneumatisk nedslaget25. Kritisk, muliggjør kirurger å praktisere presise justeringen av microelectrode array (som er koblet til elektroden sokkelen med masse individuelt isolert gull ledninger) parallell til det neocortical overflaten26. Våre protokollen reproduserer trofast indikasjon på microelectrode matrise implantasjon sammen med ECOG implantasjon hos pasienter som er kandidater for epilepsi kirurgi. Opplysninger om implantasjon kirurgi er betydelig påvirket av den eksakte typen microelectrode matrise. Her beskriver vi fremgangsmåten for en matrise som nylig mottatt godkjennelse for bruk i mennesker i USA. Rekken såkalte Utah består av en 4 x 4 mm, 100 microelectrode rutenett. en transkutan pidestall som er knyttet til tabellen eksterne av skallen; og en wire bunt mellom to.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

Den menneskelige cadaver brukt i dette arbeidet ble gitt under rammen av kroppen donasjoner for medisinsk utdannelse. Informert samtykke for kroppen donasjon ble innhentet skriftlig i løpet av donor. I henhold til føderale og cantonal lovene var ingen omtale av en etisk komite nødvendig.

Merk: Denne protokollen forutsetter at personer utføre praksis kirurgi er neurosurgeons med opplæring og kompetanse i standard neurosurgical prosedyrer, inkludert pasienten posisjonering og hodet fiksering, craniotomy og durotomy og suturing. I tillegg til verktøy og utstyr bestemt til microelectrode array brukes det standard neurosurgical verktøy og utstyr.

1. valg av cadaver og oppsett av operasjonsstuen

  1. Velg en prøve uten historie av sykdom eller skade på hodet, skallen og hjernen.
    1. Frivillig, utføre avsøking beregnet tomografi (CT) av den cadaver hodet slik at det ikke er noen betydelig intrakranielt lesjon (figur 1A), f.eks kronisk subdural hematom eller en intra aksial ekspansive lesjon. Bruker CT-skanning, identifisere et kortikale målområde for implantering av microelectrode array (for eksempel "hånd knotten" området av precentral gyrus, tilsvarende til representasjon av hånden i den primære motorisk cortex27, ved opplæring for implantering av en BCI).
  2. Posisjon cadaver i laterale liggesår på en drifts tabellen. Bruk en operasjonsbordet stedet en disseksjon bord du vil legge til realismen i OR-lignende miljø og tilrettelegger fiksering av skallen klemme og pneumatiske nedslaget. Plasser cadaver i laterale liggesår slik at fronto-temporal tilnærming i en formaldehyd-fast cadaver, som halsen rotasjon er begrenset.
  3. Fix hodet i skallen klemmen (figur 1B). Dekk med kirurgisk gardiner (figur 1 c).
    Merk: I vårt tilfelle, den bakre pins skallen klemme uvanlig plasseres i sagittal flyet av hodet (se figur 1B), fordi vi brukte en hodeskalle klemme som hadde blitt endret til kirurgisk opplæringsformål å holde en cadaveric hode adskilt fra resten av kroppen.
    1. Når du bruker en standard skallen klemme på en drifts tabellen, plassere bakre pinnene sikre hodet vinkelrett sagittal flyet.

2. eksponering av neocortical overflaten

  1. Incise hodebunnen ved hjelp av en skalpell, etter et spørsmålstegn snitt å avsløre det timelige og frontal bein. Dissekere temporalis muskelen langs bakre innsnitt. Hvile hodebunnen og temporalis muskelen av sløv disseksjon (figur 1 d).
  2. Utføre et stort firkantet fronto-temporal craniotomy, f.eks 5 x 5 cm (figur 2A). For dette formålet, bore fire burr hullene i hjørnene av de tiltenkte craniotomy. Deretter Bruk craniotome koble burr hullene. Fjerne bein klaffen ved hjelp av en slikkepott, utsette den dura mater. Lagre bein klaffen i saltvann.
  3. Åpne den dura mater på tre sider av craniotomy med dura saks (figur 2B). Hvile den og utsette araknoide membranen og overflaten av cerebral neocortex (figur 2C).

3. fiksering av elektroden sokkelen

  1. Velg en kortikale gyrus der microelectrode matrisen vil bli implantert. Velg en gyral overflate som er ca flatt slik at microelectrode matrisen vil ligge flush med det når de settes inn. Kontroller at det er ingen synlige blodkar coursing på kortikale overflaten der microelectrode matrisen skal settes inn.
  2. Velg et område for fiksering av elektroden sokkelen på overlegen kanten av craniotomy, nær den hud snittet og tillater nok slakk for wire bunten slik at microelectrode matrisen kan nå målet gyrus. Skru sokkelen på eksterne bordet av skallen benet ved craniotomy (figur 2D). Bruk 6 til 8 selv trykke kortikalt benvev skruene (6 mm lengde, 2 mm i diameter) for å sikre riktig fiksering.
    1. Når du manipulerer sokkelen, alltid sikre at microelectrode matrisen ikke berører noe (det kan være skadet eller kunne lacerate neocortical overflaten) ved å holde wire bunten nær microelectrode matrise med pinsett med plast - eller Gummi-belagt tips (figur 2E).

4. posisjonere og innsetting av microelectrode array

  1. Plassere matrisen i microelectrode parallelt med overflaten av målet gyrus. Bøy wire bunt som er nødvendig for dette formålet (figur 3A).
    Merk: Stiv wire bunt enkelt samsvarer ikke med kirurgens ønsker. Omsorg og tålmodighet er pålagt å få god justeringen av microelectrode matrise og kortikale overflaten.
    1. Alternativt kan du bruke "hunden-ben" Titan stropper å sikre wire bunt til skallen og kontrollere sin kurs mot målet gyrus. Ikke skru stroppen for hardt for å unngå skade wire bunten.
  2. Bringe pneumatiske nedslaget omtrentlig justeres med baksiden av microelectrode array (figur 3B). Kontrollere forbindelsen med pneumatiske nedslaget sin kontroll-boksen, og deretter slå på kontrollboksen.
    Merk: Kontroller at pneumatiske nedslaget er minst 5 mm fra matrisen før kontrollboksen, som pneumatiske nedslaget kan utløses når første aktivert.
  3. Bruk millimetric skruer på pneumatiske nedslaget innehaveren for å avgrense nedslagets justering med baksiden av microelectrode array (figur 3Bsenket). Bruker nedslaget, bruke en utflukt avstand - og trykk-kontrollerte Trykk på baksiden av microelectrode array og sett den inn i kortikale overflaten, skyve den gjennom araknoide membran.
    Merk: Kontroller at microelectrode matrisen er flush med kortikale overflaten.

5. plassering av subdural ECOG rutenettet

Merk: Dette trinnet er valgfritt.

  1. Plasser et subdural ECOG rutenett over utsatte kortikale overflaten (figur 3D). Eventuelt fjerne elektroder ved å kutte i rutenettet slik at den generelle formen på ECOG rutenettet passer i craniotomy.
  2. Plasser ECOG rutenettet slik at deres ledninger vil dura mater og skull overlegent eller posteriorly.
  3. Vanne ECOG rutenettet med saltvann før du plasserer dem i kontakt med kortikale overflaten.
  4. Sikre ECOG rutenettet ved suturing det til dura mater langs kantene av durotomy.

6. reposisjonering og lukking av dura mater, bein klaff og huden klaff

  1. Reflekterer den dura mater tilbake over utsatte kortikale overflaten og Sutur det til kantene av durotomy.
  2. Skru "hunden-ben" Titan stropper på kantene på bein klaffen bruker selv trykke kortikalt benvev skruer. Omplasser bein klaffen innen craniotomy. Sikre bein klaffen til nabolandet hodeskallen bein med "hunden-ben" Titan stropper og selv trykke kortikalt benvev skruer. Ta vare ikke for å knuse wire bunten av microelectrode array (og de av valgfrie ECOG rutenettet) mellom bein kanter.
  3. Reflektere og Sutur huden klaff. Lukk den hud snittet rundt halsen av elektroden sokkelen (figur 3E).
    1. Alternativt kan sokkelen til egress hodebunnen gjennom en separat stikk snitt gjort i hodebunnen klaffen.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

Våre protokollen bruker en formaldehyd-fikserte menneskelige cadaver modell for å tillate kirurger å praktisere den kirurgiske prosedyren av implanting et microelectrode utvalg i et neocortex i en realistisk, OR-lignende miljø. Muligheten til å utføre obduksjon neuroimaging, som CT, vil bekrefte fravær av noen betydelig intrakranielt lesjon (figur 1A) og kan hjelpe med valg av webområdet implantasjon. Arbeide med en hele prøven og definere for kirurgi på en operasjonsbordet øker realismen i trening prosedyren (figur 1B-1 C). Selv om formaldehyd fiksering endrer litt farge, tekstur og stivhet i kroppens vev, kan hvert trinn i den kirurgiske prosedyren å avsløre neocortical overflaten (huden snitt, craniotomy og durotomy) utføres enkelt ifølge standarden neurosurgical praksis (figur 1 d og figur 2A2 C).

Trinnene i den kirurgiske prosedyren som er spesifikke for microelectrode matrisen fortsette veldig likt til situasjonen i vivo . Det første trinnet består av skruen elektrode sokkelen skallen beinet nær craniotomy ( figur 2D-2E). Bringing microelectrode matrisen i tråd med neocortical overflaten er en av de mest delikate trinnene i prosedyren (figur 3A)26. Posisjonering og drift av pneumatiske nedslaget utføres også realistisk måte (figur 3B). Vår trening protokollen gir gode muligheter for kirurger eksperimentere med følgende avgjørende. En avgang fra livaktig realisme er fravær av cerebral pulsering i en cadaver modell (litt oppover og nedover bevegelser av utsatte neocortical overflaten forårsaket av hjerteslag og puste). Likevel sluttresultatet av trening protokollen (Figur 3 c-3E) tett reproduserer den virkelige situasjon26.

Hvis utført av to kirurger, er gjennomsnittlig operativ tid for microelectrode matrise implantasjon under 30 minutter, som også er rapportert av andre26.

Figure 1
Figur 1 . Definere operasjonsstuen-lignende miljø. (A) hodet CT avsøke kan bekrefte fravær av noen betydelig intrakranielt lesjon. (B) plasser hodet i skallen klemmen. (C) drapere hodet. Prøvens nese er til høyre for bildet, bakhodet til venstre. (D) Incise og hvile hodebunnen og temporalis muskelen. Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

Figure 2
Figur 2 . Utsette neocortical overflaten og feste sokkelen elektrode. (A) utføre en store torget craniotomy. (B) utfører durotomy. (C) gjenspeiler den dura mater og avsløre neocortical overflaten. (D) skruen elektrode sokkelen skallen beinet nær kanten av craniotomy (innfelt: Nærbilde på fiksering av sokkelen med bein skruer). (E) Hold skjøre microelectrode matrise med pinsett for å unngå skade fra uønsket kontakt. Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

Figure 3
Figur 3 . Plassering og sette microelectrode matrisen. (A) Bend wire bunt for å bringe microelectrode datatabellen justeres med kortikale overflaten (innfelt: nærbilde av microelectrode matrise og cortex). (B) ta pneumatiske nedslaget justeres med baksiden av microelectrode array (innfelt: nærbilde av matrisen nedslaget og microelectrode). (C) oversikt over microelectrode array, wire bunt og elektroden pidestall. (D) posisjon ECOG rutenett over kortikale overflaten. (E) nær huden rundt halsen av elektroden sokkelen. Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

Formaldehyd-fast menneskelige cadaver modellen og kirurgisk protokollen beskrevet her replikere kirurgiske prosedyren for implanting microelectrode matriser i den menneskelige hjerne neocortex. Hvert trinn i prosedyren, inkludert plasseringen av microelectrode array og dens innsetting med pneumatiske inserter, Fortsett på nesten samme måte som i en ekte pasient, med unntak at cerebral pulsering og er fraværende. De avgjørende skritt i protokollen er justeringen av microelectrode matrise med neocortical overflaten og dens impaction i cortex bruker pneumatiske inserter. Hensyn må tas omtrent matrisen som parallelt kortikale overflaten som mulig. I tilfelle kan at matrisen ikke ligger jevnt med neocortical overflaten etter første trykk av pneumatiske inserter, ett ekstra trykk leveres. Hele prosedyren skal microelectrode matrisen beskyttes fra mekaniske. Ved implantasjon menneskelige pasienten i klinisk betingelser hvis det er synlig skade microelectrodes, bunt eller kontakt, matrisen skal forkastes og en brukt.

Utah matrisen er bare neocortical microelectrode matrisen som mottatt godkjennelse for bruk i mennesker. Men andre typer microelectrodes har utviklet dyr og kan bli brukt i mennesker i spesifikke forskning prosjekter28. Begge fremgangsmåtene har sine egne fordeler og ulemper, hovedsakelig knyttet til design av elektrodene. For eksempel krever ballistisk innsetting teknikken av Utah array, som er utviklet av nødvendighet25, at matrisen være nøyaktig på linje med kortikale overflaten; Dette kravet gjelder ikke nødvendigvis for andre microelectrodes, som kan skyves forsiktig inn i grå substans. Noen elektroder lesetilgang til aktiviteten til alle kortikale lag29, mens Utah matrisen prøver nerveceller i en enkelt, forutbestemte dybde. En av de store fordelene med Utah matrisen er det store antallet nevroner som kan tas opp samtidig, noe som gjør det spesielt passende for motor BCIs11.

For neurosurgical laboratorium kurs anses cadaveric eksemplarer som modeller av høy verdi, slik at haptisk tilbakemelding i et miljø presenterer spesielt menneskets anatomi30,31. Det er ingen universell cadaver modell, imidlertid, og balsameringsprosessen teknikken må være tilpasset hver prosedyre mål: er bløtvev (for eksempel hodebunnen) av betydning, eller snarere bein, dura mater, cortex, ventriklene eller blodkar32, 33,34,35,36? Friske eller frisk-frosset (cryopreserved) prøver, bære mens ofte ansett som den beste modellen for en rekke kirurgiske prosedyrer, risikoen for overføring av smittsomme sykdommer. Videre, de har en svært begrenset arbeidstid på grunn av rask forfall31,37,38,39, etterfulgt av redusert vev samsvar, ventrikkel sammenbruddet og pneumocephalus 35. i våre protokollen, opprettholde en noe kortikale overflate var et krav å aktivere innsetting av microelectrode array, dermed utelukker bruk av en frisk-frosset. Balsameringsprosessen løsninger som gir langsiktig bindemiddel og bakteriedrepende egenskaper er også aksepterte30,33,35,40. Levningene balsamert ifølge Thiel fiksering er høyt ansett i bløtvev konsistens og utvikle fascial eller internervous fly36, men bevaring av hjernen er antatt manglende realismen41. Formaldehyd-baserte fiksering forårsaker vev stivne og retraksjon og misfarging35,36,37. Men formaldehyd fixation er vidt tilgjengelig og rimelig, og formaldehyd-fast levningene er holdbare. I sammenheng i dette papiret, til herding av bløtvev forårsaket av formaldehyd fiksering, samtidig som en ulempe for mange kirurgisk opplæringskurs (i særlig for Ortopedisk tilnærminger), viste seg for å være en adekvat modell, presenterer en stabil, men ikke for rigid overflaten av hjernen, slik at for en realistisk anvendelse av kortikale microelectrode matrisen på post mortem hjernen. Teknikker er utviklet for å simulere sirkulasjonen av blod og Cerebrospinalvæske i formaldehyd-fast levningene30,31,39 og kunne utfylle stede protokollen for å fremme øke realismen i OR-lignende miljø.

Tredimensjonale (3D) utskrift har nylig blitt en tilgjengelig og rimelig måte å replikere kroppsdeler for medisinsk og kirurgisk utdanning. Romanen 3D utskrift og molding bruker syntetiske geléaktige kaster gir en realistisk hjernen modell med taktikken feedback. Denne tilnærmingen har fordelen av å gi en deformerbare struktur som kan skrives for å gjengi en enkelt individs cerebral anatomi og er dermed mer anatomisk nøyaktig enn mer generell modeller42. På den annen side, er det fortsatt reservasjoner om stivhet og vev kutte egenskaper av syntetisk materiale43. I denne forstand gir cadaveric modellen et bredere anatomiske rammeverk, inkludert komplett stratigrafi, ikke bare hjernen overflaten selv.

Et alternativ til kirurgisk opplæring på menneskelige levningene praktiserer på levende dyr. Implanting et microelectrode utvalg på en primas modell, for eksempel en macaque apekatt, vil gjengi de fleste funksjonene av faktiske prosedyren i en menneskelig pasient, inkludert kirurgiske posisjonering og instrumentering lik de som brukes i mennesker, en gyrencephalic hjernen av en størrelse ikke langt unna som et menneske, og tilstedeværelsen av cerebral pulsering samt blod og Cerebrospinalvæske sirkulasjon. Men mens det er akseptabelt å implantatet microelectrode matriser i aper å nevrovitenskap forskning, frarådes bruke apekatter utelukkende for kirurgisk opplæring mye, etiske grunner og på grunn av deres svært høy kostnad Fordi noen nevrovitenskap sentre implantatet microelectrode matriser i aper til forskningsformål, og fordi disse sentrene bruker noen dyr samtidig (på grunn av kostnadene for apene seg og lang og arbeidskrevende opplæring at nevrovitenskap forskning med aper generelt innebærer) opplæring for microelectrode matrise implantasjon i aper ikke er et alternativ for de fleste kirurger. Bruke mindre dyr, som gnagere og selv kattene eller kaniner, ville avreise for mye fra OR som realisme. En potensiell fordel med dyr modeller er at vev healing tillater gjenta hele framgangsmåten flere ganger over levetiden til dyret. I en menneskelig cadaver modell, kan hele fremgangsmåten gjentas én gang per halvkule. Som blir sagt, finnes craniotomy ikke bestemte problemer til en utdannet nevrokirurg. Forutsatt at craniotomy er stor nok, kan fremgangsmåten pidestall fiksering og microelectrode plassering og innsetting gjentas så ofte som ønsket under en gitt økt, gir en tilstrekkelig opplæring mulighet for mer enn én kirurg. Derfor tror vi at balsamerte menneskelige levningene er den mest aktuelle modellen tog kirurgi til implantatet microelectrode matriser.

Siste gjennombrudd i BCI utvikling foreslår at microelectrode matriser kan representere et klinisk signifikant tillegg til terapeutisk og oppkvikkende løsninger som er tilgjengelig i dag for pasienter med alvorlig motoriske eller kommunikative funksjonshemminger 11 , 13 , 44. i nær fremtid, implantering av microelectrode matriser kan dermed bli en nødvendig del av opplæring av neurosurgeons. Forbedringer i utformingen av microelectrodes, sammen med forbedringer i kobler elektrodene datamaskinen behandler nevrale signaler (trolig via trådløse tilkoblinger), vil redusere invasiveness av microelectrode matriser og forbedre sin brukervennlighet for både leger og pasienter og deres omsorgspersoner.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

Forfatterne ikke avsløre.

Acknowledgments

Forfatterne er takknemlig til Dr. Rob Franklin (Blackrock Microsystems), Prof Margitta kom han (Division of Neurology, Geneva universitets-sykehus, Genève, Sveits), Dr. Andrea Bartoli og professor Karl Schaller (divisjon for nevrokirurgi, Genève University Sykehus, Geneva, Sveits), og Mr. Florent Burdin og Prof. John P. Donoghue (Wyss senter for Bio og Neuroengineering, Geneva, Sveits) for deres støtte i utarbeidelsen av dette arbeidet.

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

Medisin problemet 129 nevrokirurgi Microelectrode matriser hjerne-Computer grenseflate kirurgisk opplæring menneskelige Cadaver modellen formaldehyd fiksering
Kirurgisk opplæring for implantering av Neocortical Microelectrode matriser med formaldehyd-fast menneskelige Cadaver modell
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