Summary

İnsan olmayan Primatlarda Nöroşirürji Planlaması için MRI Tabanlı Araç Kutusu

Published: July 17, 2020
doi:

Summary

Aşağıda özetlenen yöntem, üç boyutlu (3D) baskı yöntemleri ve MR Veri çıkarma nın yeni bir kombinasyonunu kullanarak insan dışı primat (NHP) nöroşirürji sinin hazırlanması için kapsamlı bir protokol sağlamayı amaçlamaktadır.

Abstract

Bu yazıda, sadece manyetik rezonans görüntüleme (MRG) elde edilen verileri kullanarak NHP’lerde çeşitli nörocerrahilerin pratik olarak planlanmasına olanak tanıyan cerrahi hazırlık yöntemini ana hatlatan. Bu protokol beyin ve kafatası 3D baskılı anatomik olarak doğru fiziksel modellerin üretimi için izin verir, hem de beynin mekanik özellikleri bazı modelleme beynin bir agarose jel modeli. Bu modeller beyin modeli için beyin çıkarma yazılımı kullanarak MRG ayıklanabilir, ve kafatası modeli için özel kod. Hazırlık protokolü, jel beyin modelleri için beyinler, kafatasları ve kalıplar arasında yüz yüze yapmak için son teknoloji 3D baskı teknolojisinden yararlanır. Kafatası ve beyin modelleri özel kod bir kraniotomi eklenmesi ile kafatası içinde beyin dokusu görselleştirmek için kullanılabilir, doğrudan beyin içeren ameliyatlar için daha iyi hazırlık için izin. Bu yöntemlerin uygulamaları nörolojik stimülasyon ve kayıt yanı sıra enjeksiyon dahil ameliyatlar için tasarlanmıştır, ancak sistemin çok yönlülük protokolü, ekstraksiyon teknikleri ve modelleri ameliyatları daha geniş bir alana gelecekteki genişleme sağlar.

Introduction

Primat araştırma insan deneylerine hayvan modellerinden tıbbi araştırma ilerlemesinde önemli bir adım olmuştur1,2. Kemirgen beyinleri ile insan olmayan primatların (NHP)1,2,3arasında büyük bir fizyolojik ve anatomik tutarsızlık olduğu için bu özellikle nöroloji krobilim ve sinir mühendisliği çalışmalarında bu kadar. Kemogenetik, optogenetik ve nöronların genetik modifikasyonu gerektiren kalsiyum görüntüleme gibi gelişmekte olan genetik teknolojiler ile NHP’de nöral fonksiyonu inceleyen nöral mühendislik araştırmaları beyinfonksiyonlarınıanlamak için klinik öncesi bir model olarak özel ilgi kazanmıştır 2,4,5,6,7,8,9,10,11,12,13,14,15,16. Çoğu NHP nörolojik deneylerde, nöroşirürjik önlemler baş direkleri, stimülasyon ve kayıt odaları, elektrot dizileri ve optik pencereler4,5,6,7,10,11,13,14,15,17,18gibi çeşitli cihazların implantasyonu için gereklidir.

Mevcut NHP laboratuvarları genellikle bir baş direğinin bacaklarına uyacak şekilde hayvan yatıştırıcı ve kraniyotomi site etrafında kafatası eğriliği yaklaşık dahil olmak üzere etkisiz uygulamalar içeren çeşitli yöntemler kullanın. Diğer laboratuvarlar cerrahi kafatası kafa sonrası uygun veya bir NHP beyin atlası ve manyetik rezonans (MR) taramaları kafatası eğrilikleri tahmin etmek için denemek için analiz gibi implantasyon için gerekli ölçümleri kazanıyor daha gelişmiş yöntemler istihdam2,10,11,16. NHPs nöroameliyatlar da sıvı enjeksiyonları içerir, ve laboratuvarları genellikle beyin içinde öngörülen enjeksiyon yeri görselleştirmek için hiçbir yolu var2,4,5,13,14 sadece stereotaksik ölçümler ve MR taramaları ile karşılaştırıldığında güvenerek. Bu yöntemler, implantın tüm karmaşık bileşenlerinin fiziksel uyumluluğunu test edememekten kaçınılmaz bir belirsizlik derecesine sahiptir.

Bu nedenle NHP’lerde nöroşirürji planlaması için doğru bir noninvaziv yönteme ihtiyaç vardır. Burada bu hayvanlarda implantasyon ve enjeksiyon ameliyatlarının hazırlanması için bir protokol ve metodoloji salıyoruz. Tüm süreç, beyin ve kafatasının verilerden çıkarılabildiği ve daha sonra 3Boyutlu yazdırılabilen üç boyutlu (3D) modeller oluşturmak için mri taramalarından kaynaklanır. Kafatası ve beyin modelleri kraniyotomi ameliyatları yanı sıra doğruluk artan bir düzeyde baş direkleri için hazırlamak için kombine edilebilir. Beyin modeli de beynin anatomik olarak doğru jel modeli döküm için bir kalıp oluşturmak için kullanılabilir. Jel beyin tek başına ve çıkarılan bir kafatası ile birlikte enjeksiyon ameliyatları çeşitli hazırlamak için kullanılabilir. Aşağıda nöroşirürjik hazırlık için MRG tabanlı alet çantası için gerekli adımların her biri açıklanacaktır.

Protocol

Tüm hayvan prosedürleri Washington Üniversitesi Hayvan Bakım ve Kullanım Komitesi tarafından onaylandı. İki erkek rhesus makak (maymun H: 14.9 kg ve 7 yaşında, maymun L: 14.8 kg ve 6 yaşında) kullanıldı. 1. Görüntü edinimi Maymunu 3T MRTarayıcısına taşıyın ve hayvanı MR uyumlu stereotaksik bir çerçeveye yerleştirin(Malzeme Tablosu). Standart T1’i (çevirme açısı = 8°, tekrarlama süresi/yankı süresi = 7,5/3,69 s, matris boyu…

Representative Results

Preoperatif kraniyotomi planlama önlemi olarakMR’ların manipülasyonu ve analizi son2,5,10,16yılında başarıyla kullanılmıştır. Bu süreç, ancak, büyük ölçüde beyin 3D modelleme eklenmesi ile geliştirilmiştir, kafatası, ve kraniyotomi. Beynimizin anatomik olarak doğru bir fiziksel modelini başarılı bir şekilde oluşturmayı başardık ve bu model, çalışmalarımızın i…

Discussion

Bu makalede, MR taramalarından çıkarılan kafatası ve beyin anatomisi fiziksel ve CAD modellerini kullanarak NHP’lerde nöroameliyatlara hazırlık için bir araç kutusu açıklanmaktadır.

Çıkarılan ve 3D baskılı kafatası ve beyin modelleri özellikle kraniyotomi ameliyatlarının hazırlanması ve baş sonrası implantasyonlar için tasarlanmış olsa da, metodoloji kendini diğer birçok uygulamaya ödünç verir. Daha önce açıklandığı gibi, kafatasının fiziksel modeli am…

Disclosures

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

Bu proje, K12HD073945 Ödül Numarası altında Ulusal Sağlık Enstitüleri Eunice Kennedy Shiver Ulusal Çocuk Sağlığı ve İnsani Gelişim Enstitüsü, Washington Ulusal Primat Araştırma Merkezi (WaNPCR, P51 OD010425), Nöroteknoloji Merkezi (CNT, Grant EEC-1028725) altında Ulusal Bilim Vakfı Mühendislik Araştırma Merkezi ve Washington Royalty University ve WashingtonTy Royalty University tarafından desteklenmiştir. Bu proje için Macknik ve Martinez-Conde laboratuvarlarına finansman bir BRAIN Girişimi NSF-NCS Ödülü 1734887 yanı sıra NSF Ödülleri 1523614 & 1829474 ve SUNY Empire Innovator Burslar her profesör geldi. Karam Khateeb’e agarose hazırlığındaki yardımları için, Toni J Huan’a ise teknik yardım için teşekkür ederiz.

Materials

3D Printing Software (GrabCAD Print) Stratasys Version 1.36 Used for High quality 3D printing
3D Printing Software (Simplify 3D) Simplify3D Version 4.1 Used for PLA 3D printing
Agarose Benchmark Scientific A1700 Used for making gel brains
Black Nail Polish L.A. Colors CNP637 Used for gel molding
Cannula (ID 320 um, OD 432 um) Polymicro Technologies 1068150627 Used to inject dye into gel brain
Cannula (ID 450 um, OD 666 um) Polymicro Technologies 1068150625 Used to inject dye into gel brain
Catheter Connector B Braun PCC2000 Perifix for 20-24 Gage epidural catheters; Units per Cs 50
Dremel 3D Digilab 3D45 printer Dremel F0133D45AA Used for prototyping in PLA
ECOWORKS Stratasys 300-00104 Used to dissolve QSR support structures
Erlymeyer flask Pyrex 4980 Used for gel molding
Ethyl cyanoacrylate The Original Super Glue Corp. 15187 Used to make combined cannula
Graduated cylinder 3023 Used for gel molding
HATCHBOX PLA 3D Printer Filament HATCHBOX 3DPLA-1KG1.75-RED/3DPLA-1KG1.75-BLACK 1kg Spool, 1.75mm, Red/Black
Locust Bean Gum Modernist Pantry 1018 Gumming agent for gel brain mixtures
MATLAB MathWorks R2019b Used for skull extraction
McCormick Yellow Food Color McCormick Used for dye injection
Microwave Panasonic NN-SD975S Used for agarose curing
MR Imaging Software (3D Slicer) 3D Slicer Version 4.10.2 Used for 3D model generation
MR Imaging Software (Mango with BET plugin) Reasearch Imaging Institute Version 4.1 Used for brain extraction
Philips Acheiva MRI System Philips 4522 991 19391 Used to image non-human primates
Phosphate Buffered Solution Gibco 70011-044 10X diluted with DI water to 1X
Pump WPI UMP3T-1 Used for dye injection
Pump driver WPI UMP3T-1 Used for dye injection
Refrigerator General Electric Used to preserve agarose gel
Scientific Spatula VWR 82027-494 Used to extract gel molds
SolidWorks Dassault Systemes 2019
Stratasys ABS-M30 filament Stratasys 333-60304 Used for high quality 3D printing
Stratasys F170 3D printer Stratasys 123-10000 Used for high quality 3D printing
Stratasys QSR support Stratasys 333-63500 Used to create supports with ABS model
Syringe SGE SGE250TLL Used for dye injection

References

  1. Phillips, K. A., et al. Why primate models matter. American Journal of Primatology. 76 (9), 801-827 (2014).
  2. Macknik, S. L., et al. Advanced Circuit and Cellular Imaging Methods in Nonhuman Primates. Journal of Neuroscience. 39 (42), 8267-8274 (2019).
  3. Seok, J., et al. Genomic responses in mouse models poorly mimic human inflammatory diseases. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. 110 (9), 3507-3512 (2013).
  4. Ju, N., Jiang, R., Macknik, S. L., Martinez-Conde, S., Tang, S. Long-term all-optical interrogation of cortical neurons in awake-behaving nonhuman primates. PLoS Biol. 16 (8), 2005839 (2018).
  5. Yazdan-Shahmorad, A., et al. Widespread optogenetic expression in macaque cortex obtained with MR-guided, convection enhanced delivery (CED) of AAV vector to the thalamus. Journal of Neuroscience Methods. 293, 347-358 (2018).
  6. Yazdan-Shahmorad, A., Silversmith, D. B., Kharazia, V., Sabes, P. N. Targeted cortical reorganization using optogenetics in nonhuman primates. Elife. 7, (2018).
  7. Ledochowitsch, P., et al. Strategies for optical control and simultaneous electrical readout of extended cortical circuits. Journal of Neuroscience Methods. 256, 220-231 (2015).
  8. Yao, Z., Yazdan-Shahmorad, A. A Quantitative Model for Estimating the Scale of Photochemically Induced Ischemic Stroke. Conference proceedings – IEEE Engineering in Medicine and Biology Society. 2018, 2744-2747 (2018).
  9. Yazdan-Shahmorad, A., Silversmith, D. B., Sabes, P. N. Novel techniques for large-scale manipulations of cortical networks in nonhuman primates. Conference proceedings – IEEE Engineering in Medicine and Biology Society. 2018, 5479-5482 (2018).
  10. Yazdan-Shahmorad, A., et al. A Large-Scale Interface for Optogenetic Stimulation and Recording in Nonhuman Primates. Neuron. 89 (5), 927-939 (2016).
  11. Yazdan-Shahmorad, A., et al. Demonstration of a setup for chronic optogenetic stimulation and recording across cortical areas in nonhuman primates. SPIE BiOS. , (2015).
  12. Han, X. Optogenetics in the nonhuman primate. Progress in Brain Research. 196, 215-233 (2012).
  13. Acker, L., Pino, E. N., Boyden, E. S., Desimone, R. FEF inactivation with improved optogenetic methods. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. 113 (46), 7297-7306 (2016).
  14. May, T., et al. Detection of optogenetic stimulation in somatosensory cortex by nonhuman primates–towards artificial tactile sensation. PLoS One. 9 (12), 114529 (2014).
  15. Griggs, D. J., K, K., Philips, S., Chan, J. W., Ojemann, W. K. S., Yazdan-Shahmorad, A. Optimized large-scale optogenetic interface for nonhuman primates. SPIE BiOS. , (2019).
  16. Khateeb, K., Griggs, D. J., Sabes, P. N., Yazdan-Shahmorad, A. Convection Enhanced Delivery of Optogenetic Adeno-associated Viral Vector to the Cortex of Rhesus Macaque Under Guidance of Online MRI Images. Journal of Visualized Experiments. (147), (2019).
  17. Lucas, T. H., Fetz, E. E. Myo-cortical crossed feedback reorganizes primate motor cortex output. Journal of Neuroscience. 33 (12), 5261-5274 (2013).
  18. Jackson, A., Mavoori, J., Fetz, E. E. Long-term motor cortex plasticity induced by an electronic neural implant. Nature. 444 (7115), 56-60 (2006).
  19. Paxinos, G., Huang, X. F., Petrides, M., Toga, A. W. . The Rhesus Monkey Brain in Stereotaxic Coordinates. 2nd Edition. , (2008).
  20. Krauze, M. T., et al. Reflux-free cannula for convection-enhanced high-speed delivery of therapeutic agents. Journal of Neurosurgery. 103 (5), 923-929 (2005).
  21. Chen, Z. J., et al. A realistic brain tissue phantom for intraparenchymal infusion studies. Journal of Neurosurgery. 101 (2), 314-322 (2004).
  22. Cheng, H., et al. Prolonged operative duration is associated with complications: a systematic review and meta-analysis. Journal of Surgical Research. 229, 134-144 (2018).
  23. Michikawa, T., et al. Automatic extraction of endocranial surfaces from CT images of crania. PLoS One. 12 (4), 0168516 (2017).
  24. Soliman, A. S., et al. A realistic phantom for validating MRI-based synthetic CT images of the human skull. Medical Physics. 44 (9), 4687-4694 (2017).
  25. Blonde, J. D., et al. Customizable cap implants for neurophysiological experimentation. Journal of Neuroscience Methods. 304, 103-117 (2018).
  26. Overton, J. A., et al. Improved methods for acrylic-free implants in nonhuman primates for neuroscience research. Journal of Neurophysiology. 118 (6), 3252-3270 (2017).
  27. Lohmeier, J., Kaneko, T., Hamm, B., Makowski, M. R., Okano, H. atlasBREX: Automated template-derived brain extraction in animal MRI. Scientific Reports. 9 (1), 12219 (2019).
  28. Ortiz-Rios, M., et al. Improved methods for MRI-compatible implants in nonhuman primates. Journal of Neuroscience Methods. 308, 377-389 (2018).
  29. Nishimura, Y., Perlmutter, S. I., Eaton, R. W., Fetz, E. E. Spike-timing-dependent plasticity in primate corticospinal connections induced during free behavior. Neuron. 80 (5), 1301-1309 (2013).
  30. Seeman, S. C., Mogen, B. J., Fetz, E. E., Perlmutter, S. I. Paired Stimulation for Spike-Timing-Dependent Plasticity in Primate Sensorimotor Cortex. Journal of Neuroscience. 37 (7), 1935-1949 (2017).
  31. Sedaghat-Nejad, E., et al. Behavioral training of marmosets and electrophysiological recording from the cerebellum. Journal of Neurophysiology. 122 (4), 1502-1517 (2019).
  32. Schweizer-Gorgas, D., et al. Magnetic resonance imaging features of canine gliomatosis cerebri. Veterinary Radiology & Ultrasound. 59 (2), 180-187 (2018).
  33. Galvan, A., et al. Nonhuman Primate Optogenetics: Recent Advances and Future Directions. Journal of Neuroscience. 37 (45), 10894-10903 (2017).
  34. Galvan, A., Caiola, M. J., Albaugh, D. L. Advances in optogenetic and chemogenetic methods to study brain circuits in nonhuman primates. Journal of Neural Transmission. 125 (3), 547-563 (2018).

Play Video

Cite This Article
Ojemann, W. K., Griggs, D. J., Ip, Z., Caballero, O., Jahanian, H., Martinez-Conde, S., Macknik, S., Yazdan-Shahmorad, A. A MRI-Based Toolbox for Neurosurgical Planning in Nonhuman Primates. J. Vis. Exp. (161), e61098, doi:10.3791/61098 (2020).

View Video