Summary
Следующая рукопись описывает новый метод для разработки биологической, замкнутой системы нейронной обратной связи петли называется композитных регенеративных периферийных нервных интерфейс (C-RPNI). Эта конструкция имеет возможность интегрироваться с периферическими нервами, чтобы усилить эфференцировать моторные сигналы, одновременно обеспечивая афферентную сенсорную обратную связь.
Abstract
Последние достижения в нейропротезировании позволили тем, кто живет с потерей конечностей, воспроизвести многие функции, родные отсутствующей конечности, и это часто достигается за счет интеграции с периферической нервной системой. К сожалению, методы, используемые в настоящее время часто связаны со значительным повреждением тканей, что предотвращает длительное использование. Кроме того, эти устройства часто не имеют какой-либо значимой степени сенсорной обратной связи, поскольку их сложная конструкция ослабляет любые вибрации или другие ощущения, от которых пользователь мог ранее зависеть при использовании более простых протезов. Композитный регенеративный интерфейс периферического нерва (C-RPNI) был разработан как стабильная, биологическая конструкция с возможностью усиления эзерентных сигналов нерва двигателя, обеспечивая при этом одновременную афферентную сенсорную обратную связь. C-RPNI состоит из сегмента свободного кожного и мышечного трансплантата, обеспеченного вокруг целевого смешанного сенсорного нерва, с преференциальным реиннервацией моторного нерва мышечного трансплантата и рененервации дермального трансплантата. У крыс эта конструкция продемонстрировала генерацию сложных потенциалов мышечного действия (CMAPs), усиливая сигнал целевого нерва от уровня микро- до милливольта, с соотношением сигнала к шуму в среднем около 30-50. Стимуляция кожного компонента конструкции генерирует сложные сенсорные нервные потенциалы (CSNAPs) на проксимальном нерве. Таким образом, эта конструкция имеет многообещающую будущую полезность для реализации идеального, интуитивно понятного протеза.
Introduction
Конечности ампутации затрагивают почти 1 из 190 американцев1, и их распространенность, по прогнозам, возрастет с 1,6 миллиона сегодня до более чем 3,6 миллиона к 2050году 2. Несмотря на документальное использование на протяжении более тысячелетия, идеальный протез еще предстоит реализовать3. В настоящее время существуют сложные протезы, способные к множественным совместным манипуляциям с потенциалом воспроизвести многие двигательные функции родной конечности4,5. Однако эти устройства не считаются интуитивно понятными, так как желаемое движение протезов обычно функционально отделено от сигнала управления входной связи. Пользователи обычно считают эти "продвинутые протезы" трудно узнать и, следовательно, не подходит для повседневного использования1,6. Кроме того, сложные протезы, которые в настоящее время на рынке, не обеспечивают никакой заметной степени тонкой сенсорной обратной связи для адекватного контроля. Чувство осязания и проприоцепции имеют жизненно важное значение для выполнения ежедневных задач, и без этих, простые акты, такие как собирание чашку кофе становятся обременительными, как она полностью полагается на визуальные сигналы7,8,9. По этим причинам, передовые протезы связаны со значительной степенью умственной усталости и часто описываются как обременительные и неудовлетворительные5,10,11. Для решения этой проблемы, некоторые исследовательские лаборатории разработали протезы, способные обеспечить ограниченную степень сенсорной обратной связи через прямое нервное взаимодействие12,13,14,15, но обратная связь часто ограничивается небольшими, разбросанных областях на руках и пальцах12,13, и ощущения были отмечены болезненным и неестественным в разы15. Многие из этих исследований, к сожалению, отсутствие каких-либо заметных долгосрочных последующих и нервной гистологии, чтобы разграничить местные эффекты ткани, отмечая при этом отказ интерфейса в масштабе недель домесяцев 16.
Для этой популяции, идеальное протезное устройство обеспечит высокую точность управления двигателем наряду с значимой соматосенсорной обратной связи от окружающей среды человека на протяжении всей их жизни. Решающее значение для дизайна указанного идеального протеза является разработка стабильного, надежного интерфейса, который позволил бы одновременно передавать афферентную соматосенсорную информацию с эфферентными моторными сигналами. Наиболее перспективными из современных интерфейсов человека и машины являются те, которые взаимодействуют с периферической нервной системой напрямую, и последние разработки в области нейроинтегрированных протезов работали в направлении преодоления разрыва между биоэлектрическими и механическими сигналами17. Текущие интерфейсы используются включают в себя: гибкие нервные пластины14,15,18, вне-нейронных электродов манжеты13,19,20,21,22,23, ткани проникающие электроды24,25,31,32, и интрафасцилярные электроды26,27 ,28. Тем не менее, каждый из этих методов продемонстрировал ограничения в отношении нерва специфичность, повреждение тканей, аксонал дегенерация, истощение миелина, и / или образование рубцовой ткани, связанные с хроническим проживанием инородного тела ответ16,17,18,19. Совсем недавно, было постулировано, что водитель за возможной неудачи имплантированного электрода является значительное различие в модули Янг между электронным материалом и родной нервной ткани. Мозг ткани подлежит значительному микродвижения на ежедневной основе, и было теоретизировано, что сдвига стресс, вызванный различиями в модули молодых вызывает воспаление и в конечном итоге постоянные рубцы30,31,32. Этот эффект часто усугубляется в конечностях, где периферические нервы подвержены как физиологическому микродвижению, так и преднамеренному макродвижению конечностей. Из-за этого постоянного движения, разумно заключить, что использование полностью абиотических периферических нервных интерфейс не является идеальным, и интерфейс с биологическим компонентом будет более подходящим.
Для удовлетворения этой потребности в биологическом компоненте, наша лаборатория разработала интерфейс биотических нервов под управлением регенеративного периферического нервного интерфейса (RPNI) для интеграции трансected периферических нервов в остаточной конечности с протезным устройством. Изготовление RPNI включает хирургически имплантацию периферического нерва в аутологичным свободный мышечный трансплантат, который впоследствии реваскуляризирует и ренервирует. Наша лаборатория разработала этот биологический нервный интерфейс в течение последнего десятилетия, с успехом в усилении и передаче моторных сигналов в сочетании с имплантированными электродами в обоих животных и человеческих испытаний, что позволяет для подходящего протезного контроля с несколькими степенями свободы2,34. Кроме того, мы отдельно продемонстрировали сенсорную обратную связь с помощью периферических нервов, встроенных в кожные трансплантаты, называется дермальный сенсорный интерфейс (DSI)3,35. В более дистальных ампутации, используя эти конструкции одновременно возможно, как двигатель ные и сенсорные фасциклы в пределах целевого периферического нерва могут быть хирургически разделены. Однако, для более проксимальной ампутации уровня, это не представляется возможным из-за смешения моторных и сенсорных волокон. Композитный регенеративный интерфейс периферических нервов (C-RPNI) был разработан для более проксимальных ампутаций, и он включает в себя имплантацию смешанного сенсорного нерва в конструкцию, состоящую из свободного мышечного трансплантата, закрепленного на сегменте дермального трансплантата(рисунок 1). Периферийные нервы демонстрируют преференциальную целевую реиннервацию, таким образом, сенсорные волокна будут повторно иннервировать дермальный трансплантат и моторные волокна, мышечный трансплантат. Эта конструкция, таким образом, имеет возможность одновременно усиливать моторные сигналы, обеспечивая соматосенсорную обратную связь36 (рисунок 2),что позволяет реализовать идеальный, интуитивный, сложный протез.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
Все эксперименты на животных проводятся с одобрения Комитета Мичиганского университета по использованию и уходу за животными.
ПРИМЕЧАНИЕ: Донор крысы имеют свободный доступ к пище и воде до кожи и мышечной процедуры донорства. Эвтаназия проводится под глубокой анестезией с последующим внутрисердечной инъекцией хлористого калия вторичным методом двусторонней пневмоторакса. Любой штамм крыс теоретически может быть использован с этим экспериментом; тем не менее, наша лаборатория добилась последовательных результатов как среди мужчин, так и у самков крыс Fischer F344 (200-250 г) в возрасте от двух до четырех месяцев. Донорские крысы должны быть изогенными для экспериментальных крыс.
1. Подготовка кожного трансплантата
- Анестезия донорской крысы в индукционной камере с использованием раствора 5% изофлюран в кислороде на 0,8-1 л / мин. После того, как крыса была анестезируется, удалить из индукционной камеры и поместить на дыхательный конус носа, опуская изофруран до 2-2,5% для поддержания анестезии.
- Администрирование раствора 0,02-0,03 мл карпрофена (50 мг/мл) в 0,2 мл стерильного сольятого подкожного подкожного между лопатками для обезболивания.
- Нанесите на оба глаза искусственную мазь слезами, чтобы предотвратить язву роговицы.
- Использование клиперов, брить всю нижнюю заднюю часть (ы), лодыжки области, и стороны лапы (ы).
- Очистите выбранную заднюю и подошвенную поверхность лапы с помощью алкоголя, за которым следует раствор йодоповидона, заканчивающийся окончательным очищением спиртом для удаления остаточного йодоповидона.
- Используя ручной микродвигатель высокоскоростной дрель со съемным круглым тонкой песка полировки камень (4000 об/мин), заусенец подошвенной поверхности лапы, чтобы удалить эпидермис. Во время burring, применять капель сольения, чтобы не сжечь кожу. Основная дерма будет иметь блестящий вид с точечными кровотечениями.
- Нанесите турникет на нижние конечности, чтобы замедлить кровоток.
- Удалите подошвенную кожу резко с #15 скальпелем и поместите в солевой увлажненной марлей, чтобы предотвратить высыхание. Некоторые сухожилия и соединительной ткани по своей сути будут удалены с кожей в этом шаге и будут удалены позже.
- Нанесите марлевую пленку на кровоточащую ногу, чтобы замедлить кровоизлияние. Повторите шаги 1.5-1.9 при выполнении двух конструкций.
- Под микроскопом (20x увеличение), удалить сухожилия и соединительной ткани из глубокого слоя кожи трансплантата с помощью микро-ножниц. Позаботьтесь, чтобы не сделать отверстия в трансплантата. Истонченный кожный трансплантат должен быть слегка непрозрачным, содержащим только дерму, размером примерно 0,5 см х 1,0 см.
- Место в солевой увлажненной марли до готовности для C-RPNI построить изготовление. Прививки должны быть использованы в течение 2 часов после сбора урожая.
2. Подготовка мышечного трансплантата
- Сделать продольной разрез вдоль передней аспект нижней задней конечности от чуть выше лодыжки чуть ниже колена, чтобы чуть ниже колена с #15 скальпеля. Вскрыть через подкожную ткань, чтобы разоблачить основную мускулатуру.
- При дистальном аспекте разреза, разоблачить сухожилия вставки нижней мускулатуры конечностей. Tibialis передней (TA), как правило, самый большой и самый передний мышц, и только под и задним к этой мышце лежит раздпредшественник digitorum longus (EDL). Изолировать дистального сухожилия EDL от других сухожилий в этом районе, заботясь, чтобы не резцеть его вставки в этой точке.
- Обеспечить изоляцию правильного сухожилия, вставив обе зубцы щипцы под сухожилием и оказывает повышательное давление, открывщив щипцы, чтобы вызвать экскурсию сухожилия. Манипуляция этим сухожилием должно привести к тому, что все носы распространяются одновременно.
- Выполните дистальную тенотомию с острыми ножницами радужной оболочки глаза и отделить мышцы от окружающих тканей прямо с тенотомиями (или другими тупыми наконечниками ножницами), работающих проксимально, чтобы найти тенденции происхождения.
- После того, как проксимон сухожилия визуализированы, снова выполнять тенотомии с использованием острых ножниц радужной оболочки. Поместите мышечный трансплантат в солевой увлажненной марли, чтобы предотвратить высыхание.
- После того, как все желаемые трансплантаты были удалены из донорской крысы, эвтаназии в первую очередь внутрисердечной инъекции KCl (1-2 mEq КЗ / кг), а затем вторичной эвтаназии с двусторонним проколом пневмоторакса с #15 лезвием.
3. Общая изоляция нерва и подготовка
- Анестезия и обеспечение обезболиваемого раствора экспериментальной крысы в соответствии с протоколом, изложенным в шагах 1.1-1.3.
- Бритье желаемого бедра и очистить с алкоголем, бетадин, заканчивая алкоголем, чтобы удалить следы бетадина.
- Перемещение животных из хирургического подготовительного стола для хирургического стола микроскопа и место на грелку с температурным зондом для поддержания температуры тела. Поддержание изофлуран на уровне 2-2,5% и кислорода на уровне 0,8-1 л/мин.
- Отметьте разрез, простирающийся от просто дистальной до седалищеники до нижней части колена. Эта маркировка должна быть ниже, и угловой от, бедренной кости. Сделайте разрез с #15 лезвием, пронизывающим через основные бицепсы феморис фасции.
- Тщательно вскрыть через мышцы бедренной кишонис с либо hemostat или тупой наконечником микро-ножницы в пространстве, лежащее в основе бицепса фемориса.
ПРИМЕЧАНИЕ: седалийный нерв перемещается примерно в том же направлении, что и первоначальный разрез, который был сделан. Есть три ветви, как правило, с sural нерв задний и общий перонеальный и голени нерва путешествия поверхностные и глубоко до колена, соответственно. - После идентификации общего перонеального (CP) нерва, используя пару микро-, тонко наконечником щипцы и микро-ножницы, тщательно изолировать нерв CP от других седалищных ветвей и удалить любые затяжной соединительной ткани дистально.
- В точке, где нерв пересекает поверхность колена, резко трансектировать нерв с помощью микро-ножниц.
ПРИМЕЧАНИЕ: Использование острых ножниц является чрезвычайно важным в этом шаге, как вызывая значительные травмы нерва может увеличить риск формирования невроты. - Тщательно освободите любую оставшуюся соединительную ткань от нерва CP и работайте проксимально, чтобы освободить нерв длиной около 2 см.
4. C-RPNI построить изготовление
- Удалить мышечный трансплантат из солевой увлажненной марли и удалить все центральные ткани сухожилия, а также небольшой центральный сегмент эпимизия. Оставьте сухожилия концы нетронутыми.
- Использование 8-0 нейлоновый шов, обеспечить эпиневиум transected конце нерва CP в области мышечного трансплантата лишенэпимиисия с двумя прерванными стежками по обе стороны от нерва.
- Безопасный мышечный трансплантат бедренной кости периостеум с одним 6-0 нейлона прервал стежок как проксимально и дистально с нервно-мышечной соединения, обращенных от бедренной кости.
ПРИМЕЧАНИЕ: Защищайте мышцы так, чтобы она была на нормальной расслабленной длине. Старайтесь не растягивать мышцы значительно или оставить слишком много слабости при обеспечении. - Поместите 8-0 нейлоновый стежок на нижней, центральный край мышечного трансплантата эпимизия, обеспечивая его CP нервный эпинериум таким образом, чтобы создать распущенность в нерве в мышечной трансплантата и помочь облегчить любое будущее напряжение он может подвергаться с более поздней амбуляции.
- Удалить пересадку кожи из солевой увлажненной марли и расположить его на мышечный трансплантат таким образом, чтобы полностью покрыть нерв и большинство мышц. Убедитесь, что глубокий запас дермы опирается на мышцы. Обрезать любую дерму, которая выходит за пределы мышцы.
- Безопасный пересадка кожи для мышечного трансплантата по окружности с помощью 8-0 нейлон прервал швы. Как правило, 4-8 швов используются в зависимости от размера конструкции.
- Закрыть бицепс феморис фасции над конструкцией в бегущей моды с 5-0 хромических швов.
- Закройте надлежащую кожу 4-0 хромическим швом в беговой моде.
- Swab хирургической области с алкоголем площадку и применять антибиотик мазь.
- Прекратите ингаляционную анестезию и позвольте крысе восстанавливаться с пищей и источниками воды отдельно от клеток товарищей.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
Конструкция изготовления считается неудачным, если крысы развивают инфекцию или не выжить хирургической анестезии. Предыдущие исследования показали, что эти конструкции требуют примерно трех месяцев, чтобы реваскуляризировать и ренервировать2,3,17,36. После трехмесячного периода восстановления можно проводить строительные испытания для изучения жизнеспособности. Хирургическое воздействие конструкций после трех месяцев покажет реваскуляризированных мышц и кожи, если успешно(рисунок 3). Временами свободные мышечные и кожные трансплантаты могут состоять исключительно из рубцовой ткани, и/или нерв не будет прикреплен к конструкции; эти выводы указывают на неудачную попытку. Однако, в случае успеха, нежное сжатие общего перонеального нерва с щипцы проксимальной к конструкции приведет к видимому сокращению мышц (Видео 1). Гистологический анализ конструкций должен продемонстрировать жизнеспособную кожу, нерв и мышцы(рисунок 4). Иммуностоинг также покажет двигатель и сенсорный нерв reinnervation их нервно-мышечных узлов и органов чувственных конца, соответственно(Рисунок 5). Если общий перональный нерв не reinnervate этих тканей, иммуностоинаты не будет демонстрировать каких-либо отдельных нервных волокон в конструкции, за исключением имплантированного нерва себя.
Электрофизиологические испытания могут быть выполнены на этих конструкций in vivo(Рисунок 6); предыдущее исследование было проведено в 3 и 9 месяцев после C-RPNI изготовления36 (Таблица 1). После максимальной стимуляции с крючком электрода на проксимальном общем перонеальном нерве просто дистальный к его взлету от седалищения нерва, сложные потенциалы мышечного действия (CMAPs) могут быть измерены на мышечный компонент с видимым сокращением мышц. Тип электрода, используемого в мышце может варьироваться в зависимости от предпочтений, но эпимизальный патч, эпимициальная площадка, и биполярного зонда электроды были успешно использованы в этом исследовании. Средняя амплитуда CMAP, зарегистрированная на мышце, составила 8,7 и 1,6 мВт в 3 месяца и 10,2 и 2,1 мВ в 9 месяцев. Средняя скорость дирижирования составляла 10 и 1,2 м/с в 3 месяца и 9,5 и 0,6 м/с в 9 месяцев. Для сравнения, CMAPs генерируемых физиологических мышц EDL обычно варьируются от 10-18 мВ37. После стимуляции на дермальный компонент C-RPNI, сложные сенсорные потенциалы действия нерва (CSNAPs) были произведены на проксимальном общем перонеальном нерве, со средним амплитудой CSNAP измерения 113,7 и 35,1 КВ в 3 месяца и 142,9 и 63,7 МВ в 9 месяцев. Рисунок 7 иллюстрирует одиночные и суммированные сигналы CMAP и CSNAP, полученные во время электрофизиологического тестирования в графическом формате.
C-RPNI служит для усиления присущего нерва микровольтного сигнала, и предыдущие исследования показали достаточное усиление от микровольта до милливольтного уровня38. Поэтому, если конструкция не обеспечивает такой уровень усиления, она не считается успешной. Если либо кожные, мышцы, или оба компонента C-RPNI неудачу, тестирование приведет к записи, которые имитируют стимуляции сигналиспользуется. Для мышечного компонента в частности, субоптимальный результат (но тот, который все еще считается оперативным) будет тот, который имеет cMAP амплитуды и скорости проводимости в диапазоне, который падает между значением стимуляции сигнала и что из физиологических мышц EDL. Кроме того, эти сигналы могут стать ослабленными и не имеют характерной формы волны CMAP(рисунок 8А). Субоптимальные результаты на уровне кожного компонента может произойти, но трудно количественно, учитывая, что крысы не могут выразить качество ощущения они испытывают. Эти неоптимальные результаты обычно включают увлажнение формы волны со значительным фоновым шумом(рисунок 8B). Однако, если есть значительные рубцов или callusing кожи трансплантата, или минимальный трансплантат выжил, не CSNAPs будут оценены на проксимальный общий перонеальный нерв, независимо от значения стимуляции.
Рисунок 1: Иллюстративная схема конструкции C-RPNI. Общий перональный нерв можно увидеть закреплены между верхним кожным слоем и нижним мышечным слоем. Эта конструкция закреплена на бедренной кости periosteum проксимально и distally через сухожилия соединения EDL. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть большую версию этой цифры.
Рисунок 2: Изобразительное представление C-RPNI у пациента с трансрадиальной ампутации. Пользователь формирует желаемое двигательное намерение на уровне головного мозга (например, хватка клещей), которая передается в качестве сигнала двигателя в C-RPNI через имплантированный периферийный нерв. Этот сигнал генерирует потенциал сложного мышечного действия (CMAP) на мышечный компонент, который регистрируется имплантированными электродами и распознается протезным устройством, генерируя желаемое движение. Датчики на кончиках пальцев устройства распознают количество генерируемого давления и передают эту информацию электроду, имплантированному в кожный компонент C-RPNI. Эти сигналы активируют соответствующие сенсорные конечные органы, генерируя афферентное соединение чувственный потенциал нерва (CSNAP), передаваемый через периферийный нерв в сенсорную кору. Пример сигнала, генерируемого на каждом компоненте, изображен в синих коробках, изображенных рядом с каждым компонентом. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть большую версию этой цифры.
Рисунок 3: C-RPNI in vivo. (A) C-RPNI сразу же после изготовления и при (B) 3 месяца после строительства во время электрофизиологических испытаний. Мышечная составляющая является глубоким слоем конструкции и кожной, поверхностной. Мышечная ткань характеризуется (M), дермоза (D), и общий перонеальный нерв (N). Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть большую версию этой цифры.
Рисунок 4: Гистология C-RPNI 6 месяцев. C-RPNI H и E в 6 месяцев в (A) поперечное сечение и (B) продольное сечение. Мышцы отмечены (M), дермы (D), и нерв (N). Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть большую версию этой цифры.
Рисунок 5: Иммуностоинг C-RPNI. (A) Представитель пример поперечного сечения мышечной ткани, с красными стрелками выявления нервно-мышечных соединений. В правом нижнем углу изображено более высокое увеличение центрального нервно-мышечного соединения (NMJ). (B) Крупный размер нервно-мышечного соединения отметил в образце. Для (A) и ( (B), красное окрашивание (альфа-бунгаротоксин) указывает на наличие холинергических рецепторов в мышечной ткани; синий (нейрофиламент 200) определяет наличие нейрофилатов в нейронной ткани; и зеленый (холин ацетилтрансферазы) отмечает, специально присутствие моторных нейронов. (C) Представитель пример изображения iDISCO упором на кожный узел, с красными стрелками маркировки сенсорных нейронов (белый) ввода дермы. (D) На-ла-вид iDISCO демонстрируя несколько сенсорных нейронов (белый, нейрофиламент 200). Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть большую версию этой цифры.
Рисунок 6: Схема электрофизиологических испытаний. Верхнее изображение является иллюстрацией стандартного расположения электрода для тестирования конструкций C-RPNI. Существует патч и / или зонд электрод размещены на мышцы и дермальные компоненты C-RPNI, с двойным электрод крючком размещены на общий перонеальный нерв проксимально. Нижнее изображение является in vivo примером расположения тестирования на крысиной предмете. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть большую версию этой цифры.
Рисунок 7: Типичная электрофизиологиическая сигнализация C-RPNI. (A) Один сигнал CMAP, записанный на мышечной составляющей после сигнала 5.00 мА, примененного к нерву CP. (B) 24 CMAPs генерируется 5,00 мА стимуляции на нерве. (C) Один сигнал CSNAP, записанный с проксимального нерва CP после стимуляции кожных компонентов на 900 З. (D) Серия CSNAPs, записанных с проксимального нерва CP после увеличения стимуляции на дермальный компонент от 500 КК до 1000 З.А. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть большую версию этой цифры.
Рисунок 8: Ненормальная сигнализация C-RPNI. (A) Серия CMAPs, полученных при наращивании стимуляции нервов CP от 0,2 до 4 мА. Волны пик в различных точках и не вернуться к исходной линии, возможно, указывая дефектных электродов или неадекватной общей функции конструкции. (B) Сумма csNAPs, полученных при стимулировании кожного компонента, ramping 0,1 до 5 мА. Эти выводы могут произойти по множеству причин, в том числе неисправности электрода (ы), дермальный трансплантат рубцов, и / или повреждения нерва. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть большую версию этой цифры.
| Данные за 3 месяца | CMAP данных (Стимулировать НЕРв CP и запись от мышечного трансплантата) | CSNAP данные (Стимулировать пересадку кожи и запись от нерва CP) | |||||
| Идентификационный номер крысы | Построить Вес (g) | Амплитуда стимуляции (mA) | Скорость проводимости (м/с) | V Пик-пик (mV) | Амплитуда стимуляции (mA) | Скорость проводимости (м/с) | V Пик-пик (КВ) |
| 4607 | 0.087 | 4.17 | 11.3 | 10.3 | 18 | 11.1 | 121 |
| 4608 | 0.15 | 1.65 | 11.1 | 17.1 | 7.7 | 6.5 | 136 |
| 4611 | 0.113 | 8.3 | 9.6 | 11.2 | 10 | 10 | 121 |
| 4613 | 0.116 | 3.18 | 10 | 9.6 | 1.44 | 8.3 | 134 |
| 4614 | 0.189 | 3 | 10.8 | 9.6 | 7.39 | 9 | 151 |
| 4616 | 0.122 | 5.2 | 9.4 | 14.9 | 1.8 | 9.1 | 100 |
| 4620 | 0.118 | 2.91 | 7.6 | 7.4 | 8.7 | 10 | 219 |
| 9-месячные данные | CMAP данных (Стимулировать НЕРв CP и запись от мышечного трансплантата) | CSNAP данные (Стимулировать пересадку кожи и запись от нерва CP) | |||||
| Идентификационный номер крысы | Построить Вес (g) | Амплитуда стимуляции (mA) | Скорость проводимости (м/с) | V Пик-пик (mV) | Амплитуда стимуляции (mA) | Скорость проводимости (м/с) | V Пик-пик (КВ) |
| 4687 | 0.238 | 1.35 | 9.6 | 18.2 | 0.99 | 11 | 181 |
| 4688 | 0.131 | 1.08 | 10 | 8.8 | 1.11 | 8 | 132 |
| 4689 | 0.26 | 1.26 | 9.6 | 21.8 | 1.9 | 8.6 | 237 |
| 4690 | 0.192 | 4.2 | 8.3 | 12.8 | n/a | n/a | n/a |
| 4691 | 0.213 | 1.38 | 10 | 18.6 | 6.6 | 8 | 153 |
| 4693 | 0.178 | 1.11 | 9.6 | 15.1 | 8.7 | 8.3 | 306 |
Таблица 1: Электрофизиологические испытания C-RPNIs на 3- и 9-месячные пост-конструкции. Для получения CMAPs, запись электрода была помещена на мышцу с стимулирующим электродом на проксимальном общем перонеальном нерве. Серия стимуляций, увеличивающихся в амплитуде, применялась к нерву до тех пор, пока не были получены максимальные значения CMAP и не были получены результаты. Аналогичная методология была применена к дермальному компоненту, но с записью электрода, помещенного на нерв и стимулирующего электрода на дерме. Для сенсорной оценки крысы 4690 в 9 месяцев, кожный трансплантат был найден слишком шрамы, чтобы для тестирования.
Видео 1: Мышечное сжатие в Рамках РРПНИ. Пара щипцы можно увидеть слева от видео мягко сжимая проксимальный общий перонеальный нерв. Это приводит к сокращению мышечной составляющей 3-месячного C-RPNI, который виден зрителю. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы посмотреть это видео (Право нажмите, чтобы скачать).
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
C-RPNI является новой конструкцией, которая обеспечивает одновременное усиление моторных сигналов нерва-мишени с предоставлением афферентной сенсорной обратной связи. В частности, C-RPNI обладает уникальной полезностью для тех, кто живет с проксимальными ампутациями, так как их двигательные и сенсорные фасциклы не могут быть легко механически разделены во время операции. Вместо этого, C-RPNI использует присущие преференциальные свойства ренерневации самого нерва, чтобы поощрять реиннервацию сенсорного волокна к кожным сенсорным конечным органам и моторным волокнам к нервно-мышечным соединениям.
Как C-RPNI изготовление опирается на способности ренерванции нерва цели, тщательное обращение с нервом имеет первостепенное значение во время процедуры. Во время вскрытия, избежать прямого манипулирования, и травмы, целевой нерв. Если нерв должен быть обработан, рекомендуется манипулировать эпиневрия или окружающих соединительной ткани, а не. Хотя наша лаборатория не сталкивалась с образованием невроты в этой конструкции, теоретически, значительные травмы нерва может увеличить риск. Дополнительным ключевым шагом в этом процессе является сбор кожных трансплантатов. Все эпидермальные ткани должны быть удалены из трансплантата задней части лапы, так как сохраненный эпидермис может увеличить риск заражения и включения кист во время процесса заживления. Кроме того, кожный трансплантат должен быть адекватно истончен, чтобы способствовать впитыванию и реваскуляризации во всем трансплантате и избежать значительной ишемии и некроза.
Хотя большинство исследований, проведенных с C-RPNI были выполнены на общих перонеального нерва, любой смешанный сенсомоторный нерв может быть заменен. Чистый двигатель или чистый сенсорный нерв может быть использован, но результаты трудно предсказать и, вероятно, приведет либо в значительной степени мышцы или дермальной ренернервации, соответственно. Что касается мышечного трансплантата, до тех пор, как эпимисий удаляется из части контакта с нервом, любой мышечный трансплантат аналогичные по размеру могут быть использованы до тех пор, как он содержал сухожилия или фасциальной ткани на обоих концах подходит для крепления к близлежащим periosteum. Для дермального трансплантата, глаброзная ткань специально используется из-за потенциала для роста волос после прививки. Non-glabrous кожа ранее была попытана, но из-за затруднения извлекать индивидуальные фолликулы волос, все резцирующие конструкции имели значительно рост волос, воспаление, и рубцы следуя за трехмесячным периодом созревания. Кроме того, другие виды крыс могут быть использованы, но Льюис и Фишер крысы рекомендуются для этого эксперимента, как и многие другие виды крыс будет самостоятельно калечить вторичной нервной transection39,40.
Учитывая задержку между процедурой и результатами, трудно заранее знать, должны ли быть внесены какие-либо изменения в метод. Инфекция является теоретическим риском редко встречаются в нашей лаборатории, но если инфекция происходит, как правило, реагировать на антибиотики. Иногда, крысы жевать их разрезы вызывает dehiscence, и это можно лечить с вымыванием, debridement, и повторное закрытие. Если после трех месяцев на момент облучения конструкция оказывается нефункциональной и/или шрамной, существует несколько потенциальных причин. Временами, если нерв не закреплен правильно к конструкции с по крайней мере 3 швами, то нерв может сорвать от конструкции с ambulation. Кроме того, мышцы и / или дермальных трансплантатов может некрозыть, вызывая неудачу. Как правило, это результат либо повторяющиеся инфекции, кожный трансплантат слишком толстый, или мышцы слишком повреждены на урожай, чтобы восстановить должным образом. Кроме того, если мышца не защищена к периостеум на длину отдыха, сокращение может быть нарушена вызывая неадекватные сигналы во время тестирования. Временами конструкция будет казаться жизнеспособной, но не даст адекватного CMAPs/CSNAPs на тестирование (5-10% конструкций, в среднем). Это может быть вторичным к отказу в оборудовании, повышенный электрод импедеданс, или значительные кожи callusing. Кожа callusing может ослабить и полностью блокировать трансдукцию сигнала, если дермы не истончается должным образом во время изготовления. Если какое-либо из предыдущих описанных событий часто просматривается в процессе тестирования, необходимо вернуться к протоколу и внести соответствующие изменения. В опыте нашей лаборатории с более чем 90 успешных конструкций C-RPNI, наша частота отказов составляет 5% и обычно объясняется хирургической ошибкой во время изготовления.
Методы обычно используются для усиления или записи нервных сигналов включают гибкие нервные пластины18, вне-нейронных электродов манжеты19,20,21,22,23, ткани проникающие электроды24,25,31,32, и интрафаскулярные электроды26,27,28, все из которых были связаны при повреждении тканей, аксональной дегенерации и/или образовании рубцовой ткани. Это рубцов часто объясняется хроническим проживанием инородного тела ответ29 и сдвига стресс, вызванный различиями в модули молодых30. C-RPNI, однако, является биологической конструкцией и, таким образом, не вызывает реакцию инородного тела в нервной ткани. Кроме того, его механические свойства являются несколькими факторами, ближе к нервной ткани, чем электроды. Гистологический анализ этих образцов не продемонстрировал какой-либо значительной степени образования рубцовой ткани в нерве с хроническим использованием, что позволяет C-RPNI взаимодействовать с нервом в течение длительных периодов по сравнению с методами, перечисленными выше. Хотя этот метод является весьма эффективным при усилении эфферентных моторных сигналов, он ограничен в отношении сенсорного афферентного сигнала производства. Мы измерили и охарактеризовали трансдукцию сигнала, произведенную с механической и электрической стимуляцией дермального компонента C-RPNI36; однако, эти субъекты крысы не могут квалифицировать тип или степень ощущений, полученных от стимуляции этой конструкции. Таким образом, в настоящее время невозможно знать, какой эффект C-RPNI производит в отношении ощущения. Будущие направления этой конструкции будут включать в себя характеристику сигналов, производимых в проксимальном нерве после специфических при условии стимулов (например, тепло, боль, давление и т.д.), а также корреляцию с соматосенсорной вызываемые потенциалы, генерируемые в сенсорной коре мозга грызунов. Целью нашей лаборатории является создание комплексной основы для C-RPNIs, которая проложит путь для клинического перевода на человеческие предметы.
Предшественник C-RPNI, RPNI (регенеративный интерфейс периферического нерва), состоит из свободного мышечного трансплантата, прикрепленного к трансected нерву, с моторными волокнами, ренервируя ранее отрицающие ранее денерватированные нервно-мышечные соединения. RPNI продемонстрировал полезность в человеческих субъектов, с несколькими пациентами контроля передовых протезов от сигналов усиливается и записаны из-эти RPNIs34. Кроме того, эти RPNIs продемонстрировали полезные эффекты лечения за протезом контроля, с несколькими предварительными ретроспективных и перспективных исследований, показывающих снижение формирования неврмых, хронической боли, и фантомные боли конечностей у тех пациентов с конечностями ампутации. Несмотря на эти успехи, общая жалоба для тех, кто использует эти передовые протезы, однако, является необходимость визуализации протеза во время использования, как эти протезы не имеют проприоцепции и обеспечить минимальную сенсорную обратную связь. C-RPNI может быть решением этой общей критики, предоставляя способ доставки сенсорной обратной связи через кожный компонент, что приводит к реализации столь желанного, идеального протеза.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
Авторы не раскрытии информации.
Acknowledgments
Авторы хотели бы поблагодарить Яну Мун за квалифицированную техническую помощь. Исследования, представленные в настоящем документе, финансировались за счет гранта R21NS104584, предоставляемого СК.
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| #15 Scalpel | Aspen Surgical, Inc | Ref 371115 | Rib-Back Carbon Steel Surgical Blades (#15) |
| 4-0 Chromic Suture | Ethicon | SKU# 1654G | P-3 Reverse Cutting Needle |
| 5-0 Chromic Suture | Ethicon | SKU# 687G | P-3 Reverse Cutting Needle |
| 6-0 Ethilon Suture | Ethicon | SKU# 697G | P-1 Reverse Cutting Needle (Nylon suture) |
| 8-0 Monofilament Suture | AROSurgical | T06A08N14-13 | Black polyamide monofilament suture on a threaded tapered needle |
| Experimental Rats | Envigo | F344-NH-sd | Rats are Fischer F344 Strain |
| Fluriso (Isofluorane) | VetOne | 13985-528-40 | Inhalational Anesthetic |
| Micro Motor High Speed Drill with Stone | Master Mechanic | Model 151369 | Handheld rotary tool; kit comes with multiple fine grit stones |
| Oxygen | Cryogenic Gases | UN1072 | Standard medical grade oxygen canisters |
| Potassium Chloride | APP Pharmaceuticals | 63323-965-20 | Injectable form, 2 mEq/mL |
| Povidone Iodine USP | MediChoice | 65517-0009-1 | 10% Topical Solution, can use one bottle for multiple surgical preps |
| Puralube Vet Opthalmic Ointment | Dechra | 17033-211-38 | Corneal protective ointment for use during procedure |
| Rimadyl (Caprofen) | Zoetis, Inc. | NADA# 141-199 | Injectable form, 50 mg/mL |
| Stereo Microscope | Leica | Model M60 | User can adjust magnification to their preference |
| Surgical Instruments | Fine Science Tools | Various | User can choose instruments according to personal preference or from what is currently available in their lab |
| Triple Antibiotic Ointment | MediChoice | 39892-0830-2 | Ointment comes in sterile, disposable packets |
| VaporStick 3 | Surgivet | V7015 | Anesthesia tower with space for isofluorane and oxygen canister |
| Webcol Alcohol Prep | Coviden | Ref 6818 | Alcohol prep wipes; use a new wipe for each prep |
References
- Biddiss, E. A., Chau, T. T. Upper limb prosthesis use and abandonment: A survey of the last 25 years. Prosthetics and Orthotics International. 31 (3), 236-257 (2007).
- Kung, T. A., et al. Regenerative peripheralnerve interface viability and signal transduction with an implanted electrode. Plastic and Reconstructive Surgery. 133 (6), 1380-1394 (2014).
- Larson, J. V., et al. Prototype Sensory Regenerative Peripheral Nerve Interface for Artificial Limb Somatosensory Feedback. Plastic and Reconstructive Surgery. 133 (3 Suppl), 26-27 (2014).
- Hijjawi, J. B., et al. Improved myoelectric prosthesis control accomplished using multiple nerve transfers. Plastic and Reconstructive Surgery. 118 (7), 1573-1578 (2006).
- Pylatiuk, C., Schulz, S., Döderlein, L. Results of an Internet survey of myoelectric prosthetic hand users. Prosthetics and Orthotics International. 31 (4), 362-370 (2007).
- Baghmanli, Z., et al. Biological and electrophysiologic effects of poly(3,4-ethylenedioxythiophene) on regenerating peripheral nerve fibers. Plastic and Reconstructive Surgery. 132 (2), 374-385 (2013).
- Dhillon, G. S., Horch, K. W. Direct neural sensory feedback and control of a prosthetic arm. IEEE Transactions on Neural Systems and Rehabilitation Engineering. 13 (4), 468-472 (2005).
- Romo, R., Hernández, A., Zainos, A., Salinos, E. Somatosensory discrimination based on cortical microstimulation. Nature. 392, 387-390 (1998).
- O'Doherty, J., et al. Active tactile exploration using a brain-machine-brain interface. Nature. 479, 228-231 (2011).
- Stein, R. B., Walley, M. Functional comparison of upper extremity amputees using myoelectric and conventional prostheses. Archives of Physical Medicine and Rehabilitation. 64 (6), 243-248 (1983).
- Millstein, S. G., Heger, H., Hunter, G. A. Prosthetic Use in Adult Upper Limb Amputees: A Comparison of the Body Powered and Electrically Powered Prostheses. Prosthetics and Orthotics International. 10 (1), 27-34 (1986).
- Zollo, L., et al. Restoring tactile sensations via neural interfaces for real-time force-and-slippage closed-loop control of bionic hands. Science Robotics. 4 (27), eaau9924 (2019).
- Tan, D. W., et al. A neural interface provides long-term stable natural touch perception. Science Translational Medicine. 6 (257), 257ra138 (2014).
- Stieglitz, T., et al. On Biocompatibility and Stability of Transversal Intrafascicular Multichannel Electrodes-TIME. Converging Clinical and Engineering Research on Neurorehabilitation II. 15, 731-735 (2017).
- Petrini, F. M., et al. Six-months assessment of a hand prosthesis with intraneural tactile feedback. Annals of Neurology. 85 (1), 137-154 (2019).
- Jung, R., Abbas, J., Kuntaegowdanahalli, S., Thota, A. Bionic intrafascicular interfaces for recording and stimulating peripheral nerve fibers. Bioelectronics in Medicine. 1 (1), 55-69 (2018).
- Micera, S., Navarro, X., Yoshida, K. Interfacing With the Peripheral Nervous System to Develop Innovative Neuroprostheses. IEEE Transactions on Neural Systems and Rehabilitation Engineering. 17 (5), 417-419 (2009).
- Stieglitz, T., Schuettler, M., Schneider, A., Valderrama, E., Navarro, X. Noninvasive measurement of torque development in the rat foot: measurement setup and results from stimulation of the sciatic nerve with polyimide-based cuff electrodes. IEEE Transactions on Neural Systems and Rehabilitation Engineering. 11 (4), 427-437 (2003).
- Polasek, K. H., Hoyen, H. A., Keith, M. W., Tyler, D. J. Human nerve stimulation thresholds and selectivity using a multi-contact nerve cuff electrode. IEEE Transactions on Neural Systems and Rehabilitation Engineering. 15 (1), 76-82 (2007).
- Nielson, K. D., Watts, C., Clark, W. K. Peripheral nerve injury from implantation of chronic stimulating electrodes for pain control. Surgical Neurology. 5 (1), 51-53 (1976).
- Waters, R. L., McNeal, D. R., Faloon, W., Clifford, B. Functional electrical stimulation of the peroneal nerve for hemiplegia. Long-term clinical follow-up. Journal of Bone and Joint Surgery. 67 (5), 792-793 (1985).
- Larsen, J. O., Thomsen, M., Haugland, M., Sinkjaer, T. Degeneration and regeneration in rabbit peripheral nerve with long-term nerve cuff electrode implant: a stereological study of myelinated and unmyelinated axons. Acta Neuropathologica. 96 (4), 365-378 (1998).
- Krarup, C., Loeb, G. E., Pezeshkpour, G. H. Conduction studies in peripheral cat nerve using implanted electrodes: III. The effects of prolonged constriction on the distal nerve segment. Muscle Nerve. 12 (11), 915-928 (1989).
- Micera, S., Navarro, X. Bidirectional interfaces with the peripheral nervous system. International Review of Neurobiology. 86, 23-38 (2009).
- Urbanchek, M. G., et al. Microscale Electrode Implantation during Nerve Repair: Effects on Nerve Morphology, Electromyography, and Recovery of Muscle Contractile Function. Plastic and Reconstructive Surgery. 128 (4), 270e-278e (2011).
- Yoshida, K., Horch, K. Selective stimulation of peripheral nerve fibers using dual intrafascicular electrodes. IEEE Transactions on Biomedical Engineering. 40 (5), 492-494 (1993).
- Branner, A., Stein, R. B., Normann, R. A. Selective stimulation of cat sciatic nerve using an array of varying length microelectrodes. Journal of Neurophysiology. 85 (4), 1585-1594 (2001).
- Zheng, X. J., Zhang, J., Chen, T., Chen, Z. Longitudinally implanted intrascicular electrodes for stimulating and recording fascicular physioelectrical signals in the sciatic nerve of rabbits. Microsurgery. 23, 268-273 (2003).
- del Valle, J., Navarro, X. Interfaces with the peripheral nerve for the control of neuroprostheses. International Review of Neurobiology. 109, 63-83 (2013).
- Stiller, A. M., et al. A Meta-Analysis of Intracortical Device Stiffness and Its Correlation with Histological Outcomes. Micromachines. 9 (9), 443 (2018).
- Hanson, T., Diaz-Botia, C., Kharazia, V., Maharbiz, M., Sabes, P. The "sewing machine" for minimally invasive neural recording. bioRxiv. , Published online (2019).
- Yang, X., et al. Bioinspired neuron-like electronics. Nature Materials. 18, 510-517 (2019).
- Irwin, Z. T., et al. Chronic recording of hand prosthesis control signals via a regenerative peripheral nerve interface in a rhesus macaque. Journal of Neural Engineering. 13 (4), 046007 (2016).
- Kubiak, C. A., et al. Abstract 24: Successful Control of Virtual and Robotic Hands using Neuroprosthetic Signals from Regenerative Peripheral Nerve Interfaces in a Human Subject. Plastic and Reconstructive Surgery Global Open. 6 (4), 19-20 (2018).
- Sando, I. C., et al. Dermal-Based Peripheral Nerve Interface for Transduction of Sensory Feedback. Plastic and Reconstructive Surgery. 136 (4 Suppl), 19-20 (2015).
- Kubiak, C. A., et al. Abstract 36: Viability and Signal Transduction with the Composite Regenerative Peripheral Nerve Interface (C-RPNI). Plastic and Reconstructive Surgery Global Open. 7 (4), 26-27 (2019).
- Kubiak, C. A., et al. Abstract QS18: Neural Signal Transduction with the Muscle Cuff Regenerative Peripheral Nerve Interface. Plastic and Reconstructive Surgery Global Open. 7 (4 Suppl), 114 (2019).
- Woo, S. L., et al. Utilizing nonvascularized partial skeletal muscle grafts in peripheral nerve interfaces for prosthetic control. Journal of the American College of Surgeons. 219 (4), e136-e137 (2014).
- Sporel-Özakat, R. E., Edwards, P. M., Hepgul, K. T., Savas, A., Gispen, W. H. A simple method for reducing autotomy in rats after peripheral nerve lesions. Journal of Neuroscience Methods. 36 (2-3), 263-265 (1991).
- Carr, M. M., Best, T. J., Mackinnon, S. E., Evans, P. J. Strain differences in autotomy in rats undergoing sciatic nerve transection or repair. Annals of Plastic Surgery. 28 (6), 538-544 (1992).
