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Bioengineering

बरकरार परिधीय तंत्रिका संकेतों के प्रवर्धन के लिए मांसपेशी कफ पुनर्योजी परिधीय तंत्रिका इंटरफ़ेस

Published: January 13, 2022 doi: 10.3791/63222
Automatic Translation
1, 1, 1, 1, 1,2, 1,2
1Department of Surgery, Section of Plastic Surgery, The University of Michigan Health System, 2Department of Biomedical Engineering, The University of Michigan, Ann Arbor

Summary

यह पांडुलिपि एक जैविक परिधीय तंत्रिका इंटरफ़ेस विकसित करने के लिए एक अभिनव विधि प्रदान करती है जिसे मांसपेशी कफ पुनर्योजी परिधीय तंत्रिका इंटरफ़ेस (एमसी-आरपीएनआई) कहा जाता है। यह सर्जिकल निर्माण मोटर इरादे की सटीक पहचान और एक्सोस्केलेटन उपकरणों के संभावित नियंत्रण की सुविधा के लिए अपने संबंधित परिधीय तंत्रिका के मोटर अपवर्तक संकेतों को बढ़ा सकता है।

Abstract

रोबोटिक एक्सोस्केलेटन ने हाल ही में पुनर्वास चिकित्सा के क्षेत्र में उन व्यक्तियों के लिए कार्यात्मक बहाली के लिए एक आशाजनक साधन के रूप में प्रशंसा प्राप्त की है, जिनके पास चरम कमजोरी है। हालांकि, उनका उपयोग काफी हद तक अनुसंधान संस्थानों तक ही सीमित है, जो अक्सर स्थिर चरम समर्थन के साधन के रूप में काम करते हैं क्योंकि मोटर डिटेक्शन विधियां अविश्वसनीय रहती हैं। परिधीय तंत्रिका इंटरफेस इस कमी के संभावित समाधान के रूप में उत्पन्न हुए हैं; हालांकि, उनके स्वाभाविक रूप से छोटे आयामों के कारण, इन संकेतों को पृष्ठभूमि शोर से अलग करना मुश्किल हो सकता है, जिससे उनकी समग्र मोटर पहचान सटीकता कम हो जाती है। चूंकि वर्तमान इंटरफेस अजैविक सामग्रियों पर निर्भर करते हैं, अंतर्निहित सामग्री का टूटना समय के साथ विदेशी शरीर के ऊतकों की प्रतिक्रिया के साथ हो सकता है, जिससे उनकी सटीकता प्रभावित हो सकती है। मांसपेशी कफ पुनर्योजी परिधीय तंत्रिका इंटरफ़ेस (एमसी-आरपीएनआई) को इन उल्लेखनीय जटिलताओं को दूर करने के लिए डिज़ाइन किया गया था। मुक्त मांसपेशी ग्राफ्ट के एक खंड से मिलकर एक बरकरार परिधीय तंत्रिका के लिए परिधीय रूप से सुरक्षित किया जाता है, निर्माण पुनर्जीवित होता है और समय के साथ निहित तंत्रिका द्वारा पुन: उत्पन्न हो जाता है। चूहों में, इस निर्माण ने यौगिक मांसपेशी कार्रवाई क्षमता (सीएमएपी) की पीढ़ी के माध्यम से एक परिधीय तंत्रिका की मोटर अपवाही कार्रवाई क्षमता को सामान्य मूल्य से 100 गुना तक बढ़ाने की क्षमता का प्रदर्शन किया है। यह सिग्नल प्रवर्धन मोटर इरादे की उच्च सटीकता का पता लगाने की सुविधा प्रदान करता है, संभावित रूप से एक्सोस्केलेटन उपकरणों के विश्वसनीय उपयोग को सक्षम करता है।

Introduction

अकेले संयुक्त राज्य अमेरिका में, लगभग 130 मिलियन लोग न्यूरोमस्कुलर और मस्कुलोस्केलेटल विकारों से प्रभावित होते हैं, जिसके परिणामस्वरूप वार्षिक आर्थिक प्रभाव 1,2 में $ 800 बिलियन से अधिक होता है। विकारों का यह समूह आमतौर पर तंत्रिका तंत्र के भीतर, न्यूरोमस्कुलर जंक्शन पर, या मांसपेशियों के भीतर विकृति के लिएद्वितीयक होता है। पैथोलॉजिकल उत्पत्ति की विविधता के बावजूद, बहुमत कुछ हद तक चरम कमजोरी 1,3 साझा करते हैं। दुर्भाग्य से, यह कमजोरी अक्सर तंत्रिका और मांसपेशी ऊतक पुनर्जनन में सीमाओं को देखते हुए स्थायी होती है, खासकर गंभीर आघात 4,5,6 की स्थापना में।

चरम कमजोरी उपचार एल्गोरिदम ने शास्त्रीय रूप से पुनर्वास और सहायक उपायों पर ध्यान केंद्रित किया है, अक्सर शेष बरकरार अंगों (बेंत, व्हीलचेयर, आदि) की क्षमताओं का उपयोग करने पर निर्भर करता है। 7. यह रणनीति कम हो जाती है, हालांकि, उन लोगों के लिए जिनकी कमजोरी एक छोर तक सीमित नहीं है। रोबोटिक प्रौद्योगिकियों में हाल के नवाचारों के साथ, उन्नत एक्सोस्केलेटन उपकरण विकसित किए गए हैं जो चरम कमजोरी 8,9,10,11,12,13 के साथ रहने वालों के लिए चरम कार्यक्षमता को बहाल करते हैं। ये रोबोट एक्सोस्केलेटन अक्सर संचालित, पहनने योग्य उपकरण होते हैं जो आंदोलन की शुरुआत और समाप्ति या अंग की स्थिति के रखरखाव में सहायता कर सकते हैं, जो अलग-अलग मात्रा में बल प्रदान करते हैं जिन्हें उपयोगकर्ता के लिए व्यक्तिगत रूप से तैयार किया जा सकता है 8,9,10,11,12,13 . इन उपकरणों को निष्क्रिय या सक्रिय के रूप में वर्गीकृत किया जाता है, जो इस बात पर निर्भर करता है कि वे उपयोगकर्ता को मोटर सहायता कैसे प्रदान करते हैं: सक्रिय उपकरणों में विद्युत एक्ट्यूएटर होते हैं जो उपयोगकर्ता को शक्ति बढ़ाते हैं, जबकि निष्क्रिय उपकरण उपयोगकर्ता की गतियों से ऊर्जा को संग्रहीत करते हैं ताकि जब आवश्यक हो तो इसे उपयोगकर्ता को वापस जारीकिया जा सके। चूंकि सक्रिय उपकरणों में उपयोगकर्ता की शक्ति क्षमताओं को बढ़ाने की क्षमता होती है, इसलिए इन उपकरणों का उपयोग चरम कमजोरी की सेटिंग में कहीं अधिक बार किया जाता है[14]।

इस आबादी में मोटर इरादे को निर्धारित करने के लिए, आधुनिक एक्सोस्केलेटन आमतौर पर डिस्टल अंग की मांसपेशियों 8,15,16,17 या मस्तिष्कके सतह इलेक्ट्रोएन्सेफलोग्राफी (एसईजी) 18,19,20 के इलेक्ट्रोमोग्राफी (ईएमजी) से उत्पन्न पैटर्न पहचान एल्गोरिदम पर भरोसा करते हैं . इन पहचान के तौर-तरीकों के वादे के बावजूद, दोनों विकल्पों में महत्वपूर्ण सीमाएं हैं जो इन उपकरणों के व्यापक उपयोग को रोकती हैं। जैसा कि एसईईजी माइक्रोवोल्ट-स्तर के संकेतों को ट्रांसक्रैनियल रूप से 18,19,20 का पता लगाता है, आलोचनाएं अक्सर पृष्ठभूमि शोर21 से इन संकेतों को अलग करने में असमर्थता पर ध्यान केंद्रित करती हैं। जब पृष्ठभूमि शोर वांछित रिकॉर्डिंग सिग्नल के समान होता है, तो यह कम सिग्नल-टू-शोर अनुपात (एसएनआर) पैदा करता है, जिसके परिणामस्वरूप गलत मोटर डिटेक्शन और वर्गीकरण22,23 होता है। सटीक सिग्नल डिटेक्शन भी स्थिर, कम प्रतिबाधा खोपड़ी संपर्क21 पर निर्भर करता है, जो मोटे / मोटे बालों की उपस्थिति, उपयोगकर्ता गतिविधि और यहां तक किपसीने की उपस्थिति से काफी प्रभावित हो सकता है। इसके विपरीत, ईएमजी सिग्नल आयाम में कई परिमाण बड़े होते हैं, जिससे अधिक मोटर सिग्नल डिटेक्शन सटीकता 15,18,25 की सुविधा मिलती है। हालांकि, यह एक लागत पर आता है, क्योंकि आस-पास की मांसपेशियां सिग्नल को दूषित कर सकती हैं, डिवाइस द्वारा नियंत्रित की जाने वाली स्वतंत्रता की डिग्रीको 16,17,25 और गहरी मांसपेशियों की गति का पता लगाने में असमर्थता 25,26,27,28। सबसे महत्वपूर्ण बात, ईएमजी का उपयोग नियंत्रण विधि के रूप में नहीं किया जा सकता है जब महत्वपूर्ण मांसपेशी समझौता और ऊतक29 की पूर्ण अनुपस्थिति होती है।

रोबोटिक एक्सोस्केलेटन के विकास को आगे बढ़ाने के लिए, इच्छित उपयोगकर्ता के मोटर इरादे का सुसंगत और सटीक पता लगाने की आवश्यकता है। परिधीय तंत्रिका तंत्र का उपयोग करने वाले इंटरफेस एक आशाजनक इंटरफ़ेस तकनीक के रूप में उत्पन्न हुए हैं, उनकी अपेक्षाकृत सरल पहुंच और कार्यात्मक चयनात्मकता को देखते हुए। वर्तमान परिधीय तंत्रिका इंटरफेसिंग विधियां आक्रामक या गैर-आक्रामक हो सकती हैं और आमतौर पर तीन श्रेणियों में से एक के भीतर आती हैं: एक्स्ट्रान्यूरल इलेक्ट्रोड 30,31,32,33, इंट्राफैसिकुलर इलेक्ट्रोड 34,35,36 और मर्मज्ञ इलेक्ट्रोड 37,38,39,40 . चूंकि परिधीय तंत्रिका संकेत आम तौर पर माइक्रोवोल्ट के स्तर पर होते हैं, इसलिए इन संकेतों को समान आयाम पृष्ठभूमि शोर41,42 से अलग करना मुश्किल हो सकता है, जो इंटरफ़ेस की समग्र मोटर पहचान सटीकता क्षमताओं को कम करता है। ये कम सिग्नल-टू-शोर (एसएनआर) अनुपात अक्सर डिवाइस39,43 के क्षरण से उत्पन्न इलेक्ट्रोड प्रतिबाधा43 के बिगड़ने के लिए द्वितीयक हो जाते हैं, या स्थानीय विदेशी शरीर की प्रतिक्रिया डिवाइस के चारों ओर निशान ऊतक और / या स्थानीय अक्षीय अध: पतन37,44 का उत्पादन करती है। यद्यपि इन कमियों को आम तौर पर एक नए परिधीय तंत्रिका इंटरफ़ेस के पुन: संचालन और आरोपण के साथ हल किया जा सकता है, यह एक व्यवहार्य दीर्घकालिक समाधान नहीं है क्योंकि विदेशी-शरीर से जुड़ी प्रतिक्रियाएं होती रहेंगी।

अजैविक इंटरफेस के साथ परिधीय नसों की बातचीत से उत्पन्न इन स्थानीय ऊतक प्रतिक्रियाओं से बचने के लिए, एक जैविक घटक को शामिल करने वाला इंटरफ़ेस आवश्यक है। इस कमी को दूर करने के लिए, पुनर्योजी परिधीय तंत्रिका इंटरफ़ेस (आरपीएनआई) को कृत्रिम उपकरणों 45,46,47,48 के साथ विच्छेदन वाले लोगों के अवशिष्ट अंगों में सही परिधीय नसों को एकीकृत करने के लिए विकसित किया गया था। आरपीएनआई के निर्माण में ऑटोलॉगस मुक्त मांसपेशी ग्राफ्ट के एक खंड में एक सही परिधीय तंत्रिका का सर्जिकल प्रत्यारोपण शामिल है, जिसमें समय के साथ पुनर्संवहन, पुनर्जनन और पुन: पोषण होता है। मिली-वोल्ट स्तर यौगिक मांसपेशी कार्रवाई क्षमता (सीएमएपी) की पीढ़ी के माध्यम से, आरपीएनआई अपने निहित तंत्रिका के माइक्रो-वोल्ट स्तर के संकेत को कई परिमाणों तक बढ़ाने में सक्षम है, जिससे मोटर इरादे45,48,49 का सटीक पता लगाने की सुविधा मिलती है। पिछले दशक में आरपीएनआई का काफी विकास हुआ है, जिसमें पशु50,51 और मानव47 परीक्षणों दोनों में अपवाही मोटर तंत्रिका संकेतों को बढ़ाने और प्रसारित करने में उल्लेखनीय सफलता मिली है, जिससे स्वतंत्रता के कई डिग्री के साथ उच्च सटीकता कृत्रिम उपकरण नियंत्रण की सुविधा मिलती है।

एक्सोस्केलेटन उपकरणों को नियंत्रित करने के लिए परिधीय तंत्रिका इंटरफेस के माध्यम से मोटर इरादे की उच्च सटीकता का पता लगाने से चरम कमजोरी वाले लेकिन बरकरार परिधीय नसों वाले व्यक्ति समान रूप से लाभान्वित होंगे। चूंकि आरपीएनआई को सही परिधीय नसों के साथ एकीकरण के लिए विकसित किया गया था, जैसे कि विच्छेदन वाले व्यक्तियों में, सर्जिकल संशोधन आवश्यक थे। आरपीएनआई के साथ अनुभव से निर्माण, मांसपेशी कफ पुनर्योजी परिधीय तंत्रिका इंटरफ़ेस (एमसी-आरपीएनआई) विकसित किया गया था। आरपीएनआई के रूप में मुक्त मांसपेशी ग्राफ्ट के एक समान खंड से मिलकर, यह इसके बजाय एक बरकरार परिधीय तंत्रिका (चित्रा 1) के लिए परिधीय रूप से सुरक्षित है। समय के साथ, यह संपार्श्विक अक्षीय अंकुरण के माध्यम से पुनर्जीवित होता है और इन अपवाही मोटर तंत्रिका संकेतों को ईएमजी संकेतों में विस्तारित और अनुवादित करता है जो52 से बड़े परिमाण के कई आदेश हैं। चूंकि एमसी-आरपीएनआई मूल में जैविक है, यह अपरिहार्य विदेशी शरीर की प्रतिक्रिया से बचता है जो वर्तमानमें उपयोग में परिधीय तंत्रिका इंटरफेस के साथ होता है। इसके अलावा, एमसी-आरपीएनआई एक साथ स्वतंत्रता की कई डिग्री को नियंत्रित करने की क्षमता प्रदान करता है क्योंकि उन्हें महत्वपूर्ण क्रॉस-टॉक के बिना व्यक्तिगत मांसपेशियों में डिस्टल विच्छेदित नसों पर रखा जा सकता है, जैसा कि पहले आरपीएनआई49 में प्रदर्शित किया गया है। अंत में, एमसी-आरपीएनआई डिस्टल मांसपेशी समारोह से स्वतंत्र रूप से काम कर सकता है क्योंकि इसे समीपस्थ तंत्रिका पर रखा जाता है। वर्तमान परिधीय तंत्रिका इंटरफेस पर इसके फायदे को देखते हुए, एमसी-आरपीएनआई एक्सोस्केलेटन नियंत्रण की एक सुरक्षित, सटीक और विश्वसनीय विधि प्रदान करने के लिए पर्याप्त वादा करता है।

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Protocol

सभी पशु प्रक्रियाओं और प्रयोगों को मिशिगन विश्वविद्यालय की संस्थागत देखभाल और पशुओं के उपयोग समिति (आईएसीयूसी) के अनुमोदन के साथ किया गया था। 3-6 महीने की उम्र में नर और मादा फिशर एफ 344 और लुईस चूहों (~ 200-300 ग्राम) का उपयोग अक्सर प्रयोगों में किया जाता है, लेकिन सैद्धांतिक रूप से किसी भी तनाव का उपयोग किया जा सकता है। यदि ऑटोलॉगस मांसपेशी ग्राफ्ट के बजाय दाता चूहों का उपयोग करते हैं, तो दाता चूहों को प्रयोगात्मक तनाव के लिए आइसोजेनिक होना चाहिए। चूहों को ऑपरेशन से पहले और बाद में भोजन और पानी तक मुफ्त पहुंच की अनुमति है। टर्मिनल समापन बिंदु मूल्यांकन के बाद, इच्छामृत्यु इंट्रा-कार्डियक पोटेशियम क्लोराइड इंजेक्शन के साथ गहरे संज्ञाहरण के तहत की जाती है, जिसके बाद द्विपक्षीय न्यूमोथोरैक्स की एक द्वितीयक विधि होती है।

1. चूहे की प्रायोगिक तैयारी

  1. एक प्रेरण कक्ष में 0.8-1.0 एल / मिनट पर ऑक्सीजन में 5% आइसोफ्लुरेन के घोल का उपयोग करके प्रयोगात्मक चूहे को एनेस्थेटाइज करें। एक बार पर्याप्त संज्ञाहरण प्राप्त हो जाने और कॉर्नियल रिफ्लेक्स की अनुपस्थिति के साथ पुष्टि करने के बाद, एनेस्थीसिया के रखरखाव के लिए आइसोफ्लुरेन के साथ चूहे को रिब्रीथर नाक शंकु पर 1.75% -2.25% तक कम करें।
  2. पेरी और पोस्ट-ऑपरेटिव एनाल्जेसिया के लिए कंधे के ब्लेड के बीच चमड़े के नीचे के विमान में 27 जी सुई के साथ 0.02-0.03 एमएल कारप्रोफेन (50 मिलीग्राम / एमएल) का घोल इंजेक्ट करें।
  3. एनेस्थेटाइज्ड होने पर कॉर्नियल अल्सर को रोकने के लिए दोनों आंखों पर बाँझ आंखों का मलहम लागू करें।
  4. एक इलेक्ट्रिक रेजर का उपयोग करके, द्विपक्षीय निचले अंगों के पार्श्व भाग को शेव करें, जो कूल्हे के जोड़ से, जांघ के ऊपर और पंजे की पृष्ठीय सतह तक फैला हुआ है।
  5. सर्जिकल साइट को पहले अल्कोहल प्रेप पैड के साथ पोंछकर निष्फल करें, इसके बाद पोविडोन-आयोडीन समाधान आवेदन, अवशिष्ट पोविडोन-आयोडीन समाधान को हटाने के लिए एक नए अल्कोहल प्रेप पैड के साथ अंतिम सफाई के साथ समाप्त होता है। बाँझपन बनाए रखने के लिए इस वैकल्पिक सफाई प्रक्रिया को तीन बार दोहराएं।
    नोट: यह एक त्वचा संबंधी अड़चन हो सकती है; सुनिश्चित करें कि समाधान का अधिकांश हिस्सा हटा दिया गया है।

2. मांसपेशी ग्राफ्ट की तैयारी

  1. चूहे को शरीर के तापमान की निगरानी के लिए पसंद के इंट्राओरल बॉडी टेम्परेचर प्रोब के साथ सर्जिकल माइक्रोस्कोप के नीचे हीटिंग पैड पर रखें। आइसोफ्लुरेन को 1.75% -2.25% और ऑक्सीजन को 0.8-1.0 एल / मिनट पर बनाए रखें।
  2. वांछित दाता हिंदलिम्ब के पूर्ववर्ती पहलू के साथ एक अनुदैर्ध्य चीरा लगाएं जो टखने के ठीक ऊपर से घुटने के ठीक नीचे # 15 स्केलपेल के साथ फैला हुआ है।
  3. टखने के जोड़ के समीप अंतर्निहित मांसपेशियों और डिस्टल टेंडन को उजागर करने के लिए तेज आईरिस कैंची का उपयोग करके अंतर्निहित चमड़े के नीचे के ऊतकों के माध्यम से विच्छेदन करें। टिबियलिस एंटीरियर (टीए) मांसपेशियों का सबसे बड़ा और सबसे पूर्ववर्ती है; एक्सटेंसर डिजिटोरम लॉन्गस (ईडीएल) मांसपेशी इस मांसपेशी के ठीक गहरे और पीछे पाई जा सकती है। ईडीएल मांसपेशी और इसके डिस्टल कण्डरा को आसपास के मांसलता से अलग करें।
  4. टखने के जोड़ के ठीक समीप डिस्टल कण्डरा के नीचे एक बल या आईरिस कैंची के दोनों टिन डालकर सही कण्डरा का अलगाव सुनिश्चित करें। बल या आईरिस कैंची खोलकर कण्डरा पर ऊपर की ओर दबाव डालें। इस गति को एक साथ सभी पैर की उंगलियों का एक साथ विस्तार करना चाहिए। यदि पृथक टखने का झुकाव, टखने की विकृति, या एकल पैर की अंगुली डोर्सिफ्लेक्सन होता है, तो गलत कण्डरा को अलग कर दिया गया है।
  5. तेज आईरिस कैंची के साथ टखने के स्तर पर ईडीएल मांसपेशियों का एक डिस्टल टेनोटॉमी करें और आसपास के ऊतकों से मुक्त मांसपेशियों को विच्छेदित करें जो इसके टेंडिनस मूल की ओर समीपस्थ रूप से काम कर रहे हैं।
  6. एक बार समीपस्थ कण्डरा की कल्पना हो जाने के बाद, ग्राफ्ट को मुक्त करने के लिए तेज आईरिस कैंची का उपयोग करके समीपस्थ टेनोटॉमी करें।
  7. मांसपेशियों के ग्राफ्ट के दोनों टेंडिनस सिरों को ट्रिम करें और तेज आईरिस कैंची के साथ वांछित लंबाई तक काट लें।
    नोट: 8-13 मिमी मापने वाले ग्राफ्ट का उपयोग सफलता के साथ किया गया है; हालांकि, उपयोग की जाने वाली सबसे आम लंबाई 10 मिमी है।
  8. मांसपेशी ग्राफ्ट के एक तरफ, मांसपेशी ग्राफ्ट के भीतर तंत्रिका के प्लेसमेंट की सुविधा के लिए पूरी छंटनी लंबाई के साथ एक अनुदैर्ध्य चीरा बनाएं और एंडोमिसियम के साथ तंत्रिका का संपर्क प्रदान करें।
  9. ऊतक निर्जलीकरण को रोकने के लिए तैयार मांसपेशी ग्राफ्ट को एक खारा-नम धुंध में रखें।
  10. एक रनिंग फैशन में 4-0 क्रोमिक सीवन के साथ दाता साइट के ऊपर त्वचा को बंद करें।

3. आम पेरोनल तंत्रिका अलगाव और तैयारी

  1. सर्जिकल चीरा को चिह्नित करें, जो साइटिक नॉच से ~ 5 मिमी की रेखा से विस्तारित होगा, जो घुटने के जोड़ से सिर्फ नीच तक फैला होगा। सुनिश्चित करें कि यह अंकन फीमर से कम है, और उससे दूर है, जिसे नीचे खींचा जा सकता है।
  2. # 15 ब्लेड के साथ चिह्नित चीरा रेखा के साथ त्वचा और चमड़े के नीचे के ऊतकों के माध्यम से प्रवेश करें। अंतर्निहित बाइसेप्स फेमोरिस प्रावरणी के माध्यम से सावधानीपूर्वक प्रवेश करें, इस बात का ध्यान रखें कि मांसपेशियों की पूरी गहराई के माध्यम से विस्तार न हो क्योंकि साइटिक तंत्रिका ठीक नीचे स्थित है।
  3. कुंद-धारीदार छोटी कैंची या हेमोस्टैट का उपयोग करके, बाइसेप्स फेमोरिस मांसपेशियों के माध्यम से सावधानीपूर्वक विच्छेदन करें।
    नोट: साइटिक तंत्रिका बाइसेप्स के अंतर्निहित इस स्थान में यात्रा करती है, जो त्वचा पर चिह्नित चीरा के रूप में लगभग उसी दिशा में उन्मुख होती है। तीन उल्लेखनीय साइटिक तंत्रिका शाखाएं हैं: सुराल (तंत्रिकाओं का सबसे पीछे और सबसे छोटा), टिबियल (आमतौर पर सबसे पूर्ववर्ती, लेकिन यह तंत्रिका हमेशा घुटने के जोड़ तक गहरी गोता लगाती है), और आम पेरोनियल (आमतौर पर टिबियल और सुराल के बीच स्थित, हमेशा घुटने के जोड़ के ऊपर यात्रा करती है)।
  4. सामान्य पेरोनेल (सीपी) तंत्रिका की पहचान करें और सूक्ष्म-बल और माइक्रो-कैंची की एक जोड़ी का उपयोग करके इसे आसपास की नसों से सावधानीपूर्वक अलग करें। तंत्रिका के मध्य 2 सेमी से किसी भी आसपास के संयोजी ऊतक को हटा दें। इस प्रक्रिया में सीपी तंत्रिका को बल के साथ कुचलने का ध्यान न रखें, क्योंकि क्रश की चोट समापन बिंदु परिणामों को बदल सकती है।
  5. मुक्त सीपी तंत्रिका के मध्य-सबसे हिस्से में, मांसपेशी ग्राफ्ट की वांछित लंबाई से मेल खाने वाली तंत्रिका की लंबाई के साथ एपिन्यूरियम के 25% को हटाकर एक एपिन्यूरियल विंडो करें।
  6. ऐसा करने के लिए सूक्ष्म-बल के साथ समीपस्थ एपिन्यूरियम को पकड़ें, सूक्ष्म-विच्छेदन कैंची के साथ अंतर्निहित एपिन्यूरियम में तुरंत काट लें, और तंत्रिका के साथ दूर से यात्रा करने वाले एपिन्यूरियम का ~ 25% हटा दें। इस खंड को एक टुकड़े में हटाने का ध्यान रखें, क्योंकि कई प्रयासों से अनियमित एपिन्यूरियल हटाने का कारण बन सकता है, जिससे तंत्रिका चोट का खतरा बढ़ जाता है।
    नोट: एपिन्यूरियम के अंतर्निहित तंत्रिका ऊतक में गू जैसी बनावट होगी; तंत्रिका की इस गुणवत्ता को ध्यान में रखते हुए यह सुनिश्चित होता है कि सही ऊतक विमान को हटा दिया गया है।

4. एमसी-आरपीएनआई निर्माण निर्माण

  1. खारा-नम धुंध से मांसपेशी ग्राफ्ट को हटा दें और इसे सीपी तंत्रिका के केंद्रीय भाग के नीचे रखें जहां एपिन्यूरियल विंडो बनाई गई थी। तंत्रिका को 180 ° घुमाएं ताकि एपिन्यूरियल विंडो सेक्शन बरकरार मांसपेशियों से संपर्क करे और अंतिम सीवन रेखा को रेखांकित न करे।
  2. 8-0 का उपयोग करना नायलॉन सीवन, सीपी तंत्रिका के एपिन्यूरियम को समीपस्थ और बाहर दोनों तरह से नाली के भीतर मांसपेशी ग्राफ्ट के लिए सीवन करता है, जिसे चरण 2.8 में बनाया गया है ताकि एंडोमिसियम को एपिन्यूरियम को सुरक्षित करने के लिए सरल बाधित सीवन का उपयोग किया जा सके।
    नोट: इन टांके को रखें, यह सुनिश्चित करते हुए कि मांसपेशी सामान्य आराम की लंबाई पर है। मांसपेशियों को बहुत अधिक खींचना या संपीड़ित करना बाद में पुनर्जनन और सिग्नलिंग क्षमताओं को प्रभावित कर सकता है।
  3. सरल बाधित 8-0 का उपयोग करके अब सुरक्षित तंत्रिका और सीवन के आसपास मांसपेशी ग्राफ्ट के किनारों को परिधीय रूप से लपेटें नायलॉन टांके (लंबाई के आधार पर ~ 4-6)।
  4. एक बार हेमोस्टेसिस प्राप्त हो जाने के बाद, चलने वाले फैशन में 5-0 क्रोमिक सीवन के साथ निर्माण पर बाइसेप्स फेमोरिस प्रावरणी को बंद करें।
  5. 4-0 क्रोमिक सीवन के साथ दौड़ने वाले फैशन में ओवरलाइंग स्किन को बंद करें।
  6. सर्जिकल क्षेत्र को अल्कोहल प्रेप पैड के साथ साफ करें और एंटीबायोटिक मलहम लागू करें।
  7. इनहेलेशनल एनेस्थेटिक को समाप्त करें और चूहे को पिंजरे के साथियों से अलग एक साफ पिंजरे में रखें और भोजन और पानी के साथ ठीक होने की अनुमति दें।
  8. एक बार जब चूहा उपयुक्त रूप से ठीक हो जाता है, तो इसे एक साफ पिंजरे में पिंजरे के साथियों के साथ वापस रखें।
    नोट: इन संरचनाओं को पर्याप्त तंत्रिका संकेत प्रवर्धन का उत्पादन करने के लिए न्यूनतम तीन महीने की परिपक्वता की आवश्यकता होती है।

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Representative Results

एमसी-आरपीएनआई सर्जिकल फैब्रिकेशन को पेरी-ऑपरेटिव विफलता माना जाता है यदि चूहे सर्जिकल एनेस्थीसिया से उभरने से बच नहीं पाते हैं या ऑपरेशन के एक सप्ताह के भीतर संक्रमण विकसित करते हैं। पिछले शोध ने संकेत दिया है कि 3 महीने की परिपक्वता अवधि के परिणामस्वरूप इस संरचना 42,45,48,49 से विश्वसनीय संकेत प्रवर्धन होगा। उस समय या उसके बाद, निर्माण और मूल्यांकन का सर्जिकल एक्सपोजर हो सकता है। यदि एमसी-आरपीएनआई निर्माण सफल रहा, तो पुनर्संवहन मांसपेशियों को मूल एमसी-आरपीएनआई आरोपण स्थल (चित्रा 2 बी) पर आसानी से दिखाई देना चाहिए। समीपस्थ तंत्रिका उत्तेजना (वीडियो 1) के बाद सफल एमसी-आरपीएनआई भी अनुबंध ति होंगे। कभी-कभी, महत्वपूर्ण स्कारिंग और एट्रोफिक मांसपेशी ग्राफ्ट मौजूद हो सकते हैं (चित्रा 2 सी), जो आमतौर पर ग्राफ्ट, अनुचित हैंडलिंग या पेरी-ऑपरेटिव ऊतक की चोट के बहुत बड़े से द्वितीयक रिवैस्कुलराइजेशन / पुनर्जनन की विफलता का संकेत देता है। इन एट्रोफिक ग्राफ्ट में आमतौर पर समीपस्थ तंत्रिका उत्तेजना पर कुछ हद तक संकुचन होता है लेकिन कम सिग्नल प्रवर्धन उत्पन्न होता है। कुल मिलाकर, इसे एक निर्माण विफलता माना जाता है, अगर एक्सपोजर पर, एमसी-आरपीएनआई तंत्रिका से हटा हुआ पाया जाता है या समीपस्थ तंत्रिका उत्तेजना पर कोई संकुचन नहीं होता है।

इन संरचनाओं के हिस्टोलॉजिकल विश्लेषण को किसी भी महत्वपूर्ण फाइब्रोसिस या स्कारिंग के बिना व्यवहार्य तंत्रिका और मांसपेशियों के ऊतकों का प्रदर्शन करना चाहिए (चित्रा 3)। इम्यूनोहिस्टोकेमिस्ट्री को पोस्टसिनेप्टिक एसिटाइलकोलाइन रिसेप्टर्स (चित्रा 4) के लिए मार्कर के रूप में अल्फा-बंगारोटॉक्सिन के साथ संयोजन में एक सामान्य तंत्रिका मार्कर के रूप में न्यूरोफिलामेंट के साथ इनरवेटेड न्यूरोमस्कुलर जंक्शनों की उपस्थिति की पुष्टि करने के लिए भी किया जा सकता है। यदि लक्षित प्रत्यारोपित तंत्रिका एमसी-आरपीएनआई के मांसपेशी घटक को आंतरिक करने में विफल रहती है, तो इम्यूनोस्टेनिंग निर्माण को पार करने वाले किसी भी संपार्श्विक मोटर तंत्रिका स्प्राउट्स का प्रदर्शन नहीं करेगा, न ही कोई इनरवेटेड न्यूरोमस्कुलर जंक्शन।

परिपक्वता के बाद किसी भी समय इन संरचनाओं पर इलेक्ट्रोफिजियोलॉजिकल परीक्षण किया जा सकता है, प्रकाशित परिणाम विशेष रूप से एमसी-आरपीएनआई में 3 महीने52 और मानव विषयों में आरपीएनआई में 3 साल तक स्थिरसंकेतों का प्रदर्शन करते हैं। इलेक्ट्रोफिजियोलॉजिकल परीक्षण योजनाबद्धता उपलब्ध रुचि के क्षेत्र और उपकरणों के अनुसार भिन्न हो सकती है (चित्रा 5), लेकिन मूल्यांकन आमतौर पर एक हुक इलेक्ट्रोड के साथ समीपस्थ तंत्रिका को अधिकतम उत्तेजना के प्रावधान के साथ किया जाता है, जिसके बाद एमसी-आरपीएनआई (तालिका 1) में उत्पन्न यौगिक मांसपेशी कार्रवाई क्षमता (सीएमएपी) की रिकॉर्डिंग होती है। ). रिकॉर्डिंग इलेक्ट्रोड उपयोगकर्ता वरीयता के अनुसार भिन्न हो सकते हैं, लेकिन एपिमिसियल पैच / पैड, एपिमिसियल बाइपोलर प्रोब और पेनिट्रेटिंग बाइपोलर इलेक्ट्रोड का उपयोग सफलता के साथ प्रयोगात्मक रूप से किया गया है। अधिक समीपस्थ तंत्रिका उत्तेजना के बाद CP तंत्रिका पर दर्ज औसत यौगिक तंत्रिका आयाम (CNAP) 119.47 μV ± 14.87 μV था। समान समीपस्थ CP तंत्रिका उत्तेजना के बाद MC-RPNI में दर्ज औसत CMAP आयाम 3.28 mV ± 0.49 mV था, जिसके परिणामस्वरूप 11-8x से तंत्रिका संकेत का प्रवर्धन 31.8 ± 7.70 था। ये उत्पन्न सीएमएपी तरंगें देशी मांसपेशियों की उपस्थिति में समान हैं, आगे समर्थन करती हैं कि वे अपने निहित तंत्रिका (चित्रा 6 बी) द्वारा पुन: उत्पन्न हो गए हैं।

यह सुनिश्चित करने के लिए कि एमसी-आरपीएनआई निर्माण नकारात्मक कार्यात्मक प्रभाव का कारण नहीं बनता है, इलेक्ट्रोफिजियोलॉजिकल और मांसपेशी बल परीक्षण डिस्टल-इनरवेट मांसपेशियों पर किया जा सकता है। अधिकांश परीक्षण ईडीएल मांसपेशी पर किए गए हैं क्योंकि यह परीक्षण के लिए आसानी से सुलभ है और सामान्य पेरोनल तंत्रिका द्वारा आंतरिक है (विपरीत ईडीएल को एमसी-आरपीएनआई निर्माण के लिए काटा जाता है और इस प्रकार मूल्यांकन नहीं किया जाता है)। समीपस्थ सीपी तंत्रिका उत्तेजना के बाद फिजियोलॉजिकल ईडीएल मांसपेशियों द्वारा उत्पन्न सीएमएपी आमतौर पर 20-30 एमवी52 से होते हैं। प्रत्यारोपित एमसी-आरपीएनआई के साथ चूहों पर इस परीक्षण को करते समय, ईडीएल सीएमएपी काफी अलग नहीं होते हैं, औसतन 24.27 एमवी ± 1.34 एमवी। इसके अतिरिक्त, इन दो समूहों के बीच उत्पन्न सीएमएपी तरंगों की तुलना करते समय, वे उल्लेखनीय रूप से समान होते हैं (चित्रा 6 सी)। दूरस्थ-आंतरिक मांसपेशी समारोह के एक अतिरिक्त उपाय के रूप में, रुचि की मांसपेशियों के मांसपेशी बल परीक्षण का पीछा किया जा सकता है (तालिका 2)। समीपस्थ सीपी तंत्रिका उत्तेजना के बाद, एमसी-आरपीएनआई विषयों में उत्पन्न औसत ईडीएल अधिकतम टेटेनिक बल 2451 एमएन ± 115 एमएन है, जो नियंत्रण विषयों में ईडीएल मांसपेशी से प्राप्त 2497 एमएन ± 122 एमएन के औसत बलके समान है।

एमसी-आरपीएनआई का समग्र उद्देश्य अपने निहित तंत्रिका के माइक्रोवोल्ट-स्तर के संकेत को कई परिमाणों तक बढ़ाना है, एसएनआर अनुपात को बढ़ाना और इस प्रकार मोटर इरादे का सटीक पता लगाने की सुविधा प्रदान करना है। इस प्रवर्धन को 10-20 गुना 52 की सीमा में एक विश्वसनीय तरीके से प्रदर्शित किया गया है, जिसमें हाल केप्रयोगों ने 50 गुना से अधिक के प्रवर्धन कारकों को प्राप्त किया है; इसलिए, यदि कोई निर्माण प्रवर्धन का एक समान स्तर प्रदान नहीं करता है, तो इसे उप-इष्टतम माना जाता है। उप-इष्टतम परिणामों को आमतौर पर एमसी-आरपीएनआई में मांसपेशी ग्राफ्ट के स्तर पर समस्याओं के लिए जिम्मेदार ठहराया जा सकता है, क्योंकि अपूर्ण पुनर्जनन और इस प्रकार पुन: प्रवेश के परिणामस्वरूप मानक सीएमएपी से कम हो सकता है, जिससे निर्माण की समग्र प्रवर्धन क्षमता कम हो सकती है। उत्पन्न तरंग आमतौर पर क्षीण होती है, जिसमें असामान्य उपस्थिति होती है। यदि मांसपेशी ग्राफ्ट पूरी तरह से विफल हो जाता है, तो मांसपेशी घटक पर मापा गया संकेत या तो गैर-मौजूद (महत्वपूर्ण निशान ऊतक के लिए द्वितीयक) हो सकता है या अपस्ट्रीम तंत्रिका में उत्पन्न सीएनएपी को दर्पण कर सकता है।

Figure 1
चित्रा 1: एमसी-आरपीएनआई का चित्रण योजनाबद्ध। लक्ष्य परिधीय तंत्रिका को आसपास के मांसपेशी ग्राफ्ट के भीतर पीले रंग में देखा जा सकता है। एमसी-आरपीएनआई यौगिक मांसपेशी एक्शन पोटेंशिअल (सीएमएपी) की पीढ़ी के माध्यम से माइक्रोवोल्ट के स्तर पर अपनी निहित तंत्रिका की मोटर अपवाही कार्रवाई क्षमता को बढ़ाने में सक्षम है। यह मोटर इरादे का पता लगाने की सुविधा प्रदान करता है जो पृष्ठभूमि शोर से आसानी से विभेदित होता है। कृपया इस आंकड़े का एक बड़ा संस्करण देखने के लिए यहां क्लिक करें।

Figure 2
चित्रा 2: विवो में एमसी-आरपीएनआई। एमसी-आरपीएनआई को एक ऑटोलॉगस एक्सटेंसर डिजिटोरम लॉन्गस (ईडीएल) मांसपेशी ग्राफ्ट का उपयोग करके बनाया गया है। फिर इसे सामान्य पेरोनल तंत्रिका के लिए परिधीय रूप से सुरक्षित किया जाता है, प्रारंभिक निर्माण के समय सफेद (ए) में उल्लिखित एक उदाहरण एमसी-आरपीएनआई के साथ। उसी एमसी-आरपीएनआई को 3 महीने बाद समापन बिंदु मूल्यांकन के समय (बी) में फिर से चित्रित किया गया है। एमसी-आरपीएनआई में आसपास की मांसपेशियों के समान रंग होता है और मात्रा का एक अच्छा हिस्सा बरकरार रहता है। एक एट्रोफिक मांसपेशी ग्राफ्ट का एक उदाहरण (सी) में दिखाया गया है। एमसी-आरपीएनआई में आसपास के निशान और संयोजी ऊतक के समान उपस्थिति है और काफी मात्रा खो दी है। कृपया इस आंकड़े का एक बड़ा संस्करण देखने के लिए यहां क्लिक करें।

Figure 3
चित्रा 3: एमसी-आरपीएनआई हिस्टोलॉजी। (ए) एमसी-आरपीएनआई क्रॉस-सेक्शन का एच एंड ई जिसमें एम मांसपेशी घटक को दर्शाता है, और एन, तंत्रिका। (बी) एमसी-आरपीएनआई के साथ एक चूहे में बाहरी बाहरी-आंतरिक ईडीएल मांसपेशी का क्रॉस-सेक्शन। (सी) एमसी-आरपीएनआई के बिना एक नियंत्रण चूहे में ईडीएल मांसपेशी का क्रॉस-सेक्शन। कृपया इस आंकड़े का एक बड़ा संस्करण देखने के लिए यहां क्लिक करें।

Figure 4
चित्रा 4: एमसी-आरपीएनआई का इम्यूनोस्टेनिंग। शीर्ष बाईं ओर की छवि एक एमसी-आरपीएनआई नमूने के अनुदैर्ध्य खंड को दिखाती है जिसमें नीले रंग (डीएपीआई) में नाभिक और हरे रंग (न्यूरोफिलामेंट) में तंत्रिका ऊतक नोट किया गया है। एक अन्य एमसी-आरपीएनआई का क्लोज-अप नीचे दाईं ओर दिखाया गया है जिसमें कई न्यूरोमस्कुलर जंक्शन मौजूद हैं (एसिटाइलकोलाइन रिसेप्टर्स के लिए लाल रंग में अल्फा-बंगारोटॉक्सिन)। कृपया इस आंकड़े का एक बड़ा संस्करण देखने के लिए यहां क्लिक करें।

Figure 5
चित्रा 5: समापन बिंदु इलेक्ट्रोफिजियोलॉजिकल मूल्यांकन सेटअप। इलेक्ट्रोफिजियोलॉजिकल परीक्षण के लिए कम से कम तीन इलेक्ट्रोड की आवश्यकता होती है: (1) एक ग्राउंडिंग इलेक्ट्रोड - चित्रित नहीं; (2) द्विध्रुवी इलेक्ट्रोड को उत्तेजित करने वाली एक तंत्रिका; और (3) एक द्विध्रुवी रिकॉर्डिंग इलेक्ट्रोड। इस सेटअप में, एक द्विध्रुवी उत्तेजक हुक इलेक्ट्रोड को आम पेरोनल तंत्रिका पर रखी गई छवि के दाईं ओर सफेद रंग में देखा जा सकता है। रिकॉर्डिंग बाइपोलर प्रोब इलेक्ट्रोड को डिस्टल एमसी-आरपीएनआई पर रखा गया है। फिर हुक इलेक्ट्रोड पर समीपस्थ तंत्रिका उत्तेजना के बाद एमसी-आरपीएनआई से सिग्नल दर्ज किए जाते हैं जब तक कि अधिकतम सीएमएपी प्राप्त नहीं हो जाते। कृपया इस आंकड़े का एक बड़ा संस्करण देखने के लिए यहां क्लिक करें।

Figure 6
चित्रा 6: मानक इलेक्ट्रोफिजियोलॉजिकल वेवफॉर्म। ये ग्राफ समीपस्थ सीपी तंत्रिका उत्तेजना के बाद प्रत्यारोपित एमसी-आरपीएनआई के साथ एक चूहे के इलेक्ट्रोफिजियोलॉजिकल विश्लेषण के दौरान कैप्चर किए गए विशिष्ट तरंगों को दर्शाते हैं। (ए) नीले रंग में, सीपी तंत्रिका से एमसी-आरपीएनआई के समीप दर्ज एक सीएनएपी (*) चित्रित किया गया है। सिस्टम आर्टिफैक्ट को एक (**) के साथ इंगित किया गया है। (बी) (ए) में उत्पन्न सीएनएपी के बाद एमसी-आरपीएनआई से दर्ज प्रतिनिधि सीएमएपी। (सी) परिणामी सीएमएपी तरंग को बाहरी-आंतरिक ईडीएल मांसपेशी से दर्ज किया गया। कृपया इस आंकड़े का एक बड़ा संस्करण देखने के लिए यहां क्लिक करें।

Rat ID चूहे का वजन (जी) तंत्रिका CNAP आयाम (μV) एमसी-आरपीएनआई सीएमएपी आयाम (एमवी) तंत्रिका संकेत प्रवर्धन कारक विलंबता (एमएस)
1 421 123.3 1.4 11.35 0.8
2 368 65.6 1.6 24.39 1.05
3 390 110.7 4.5 40.65 1.45
4 482 217.2 3.61 16.62 0.95
5 417 144.6 1.39 9.61 0.9
6 417 156.1 3.4 21.78 0.95
7 381 82 7.2 87.8 0.9
8 393 87.9 2.3 26.17 1.15
9 378 87.8 4.2 47.84 1
10 459 n/a 5.3 n/a 1.55
11 380 n/a 2.1 n/a 0.75
12 415 n/a 2.4 n/a 1

तालिका 1: एमसी-आरपीएनआई का समापन बिंदु इलेक्ट्रोफिजियोलॉजिकल विश्लेषण। 3 (चूहे 1-9) और 6 (चूहे 10-12) महीने के निर्माण के बाद समापन बिंदु विश्लेषण से गुजरने वाले चूहों से प्राप्त परिणामों का चयन। समीपस्थ सामान्य पेरोनियल (सीपी) तंत्रिका उत्तेजना के बाद, डाउनस्ट्रीम सीपी तंत्रिका में यौगिक तंत्रिका क्रिया क्षमता (सीएनएपी) दर्ज की गई थी, और डाउनस्ट्रीम एमसी-आरपीएनआई में यौगिक मांसपेशी कार्रवाई क्षमता (सीएमएपी) दर्ज की गई थी। प्रत्येक परीक्षण के लिए प्रवर्धन कारक दाईं ओर कॉलम में देखा जा सकता है। नोट: चूहों 10-12 के लिए, एमसी-आरपीएनआई के समीप सीएनएपी को शारीरिक सीमाओं को देखते हुए मापा नहीं जा सकता था, जिसके परिणामस्वरूप एमसी-आरपीएनआई को साइटिक तंत्रिका से सीपी तंत्रिका के टेकऑफ के बहुत करीब बनाया गया था। दर्ज किया गया औसत सीएनएपी आयाम 119.47 μV ± 14.87 μV था, जबकि औसत CMAP आयाम 3.28 mV ± 0.49 mV था, जो 31.8 ± 7.70 का औसत प्रवर्धन कारक उत्पन्न करता था।

Rat ID अधिकतम ट्विच (mN) V अधिकतम टेटनी (mN) V हर्ट्ज लो (मिमी)
1 927.13 3 2668.29 3 80 30.64
2 768.22 3.5 2677.85 3.5 80 31.15
3 646.99 3 2164.84 3 80 28.36
4 863.62 3.5 3109.67 3.5 150 31.07
5 774.48 1.5 2723.24 2 80 28.83
6 558.19 4 1930.22 4 120 29.46
7 753.97 1 2605.64 1 100 31.13
8 768.38 2 2897.08 2 100 31.86
9 559.9 1.5 1984.17 1.5 100 31.11
10 600.6 5.5 2416.09 5.5 80 32.51
11 770.27 5.5 2496.89 5.5 80 31.89
12 672.22 2.5 1740.04 2.5 50 31.34

तालिका 2: प्रत्यारोपित एमसी-आरपीएनआई के साथ चूहों का मांसपेशी बल विश्लेषण। मांसपेशी बल परीक्षण यह निर्धारित करने के लिए कि एमसी-आरपीएनआई का डिस्टल-इनरवेट मांसपेशी समारोह पर कोई प्रभाव पड़ा है या नहीं, मांसपेशियों के विस्तारक डिजिटोरम लॉन्गस (ईडीएल) मांसपेशी पर आयोजित किया गया था। समीपस्थ सीपी तंत्रिका उत्तेजना के बाद, बल अनुरेखण दर्ज किए गए थे और सक्रिय बल की गणना रुचि के परीक्षण के लिए प्रासंगिक थी। एलओ को इष्टतम मांसपेशी आराम की लंबाई के रूप में परिभाषित किया गया था जो अधिकतम बल का उत्पादन करता था। प्रत्यारोपित एमसी-आरपीएनआई के साथ चूहों से दर्ज औसत अधिकतम ट्विच बल 722.0 एमएन ± 32.11 एमएन था और दर्ज औसत अधिकतम टेटनिक बल 2451 एमएन ± 115 एमएन था, जो नियंत्रण जानवरों से प्राप्त मूल्यों के समान था (अधिकतम ट्विच: 822.2 एमएन ± 41.11 एमएन; अधिकतम टेटनी: 2497 एमएन ± 122 एमएन)।

वीडियो 1: समीपस्थ तंत्रिका विद्युत उत्तेजना के बाद एमसी-आरपीएनआई संकुचन। दाईं ओर हुक इलेक्ट्रोड द्वारा प्रदान की गई समीपस्थ तंत्रिका विद्युत उत्तेजना के बाद, एमसी-आरपीएनआई के दृश्य मांसपेशी संकुचन को केंद्र में देखा जा सकता है। कृपया इस वीडियो को डाउनलोड करने के लिए यहां क्लिक करें।

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Discussion

एमसी-आरपीएनआई एक नया निर्माण है जो एक्सोस्केलेटन डिवाइस को सटीक रूप से नियंत्रित करने के लिए एक बरकरार, परिधीय मोटर तंत्रिका की प्रभावी कार्रवाई क्षमता के प्रवर्धन की अनुमति देता है। विशेष रूप से, एमसी-आरपीएनआई उन व्यक्तियों को एक विशेष लाभ प्रदान करता है जो महत्वपूर्ण मांसपेशियों की बीमारी और / या मांसपेशियों की अनुपस्थिति के कारण चरम कमजोरी वाले हैं जहां ईएमजी संकेतों को दर्ज नहीं किया जा सकता है। पहले से ही समझौता की गई मांसपेशियों के कार्य को कम करना इस आबादी में विनाशकारी होगा; हालांकि, एमसी-आरपीएनआई में इस तंत्रिका संकेत प्रवर्धन को डिस्टल-इनरवेट मांसपेशी52 (तालिका 1 और तालिका 2) को नुकसान पहुंचाए बिना प्रदान करने की क्षमता है। मांसपेशियों पर आधारित या कम मोटर न्यूरॉन रोग वाले उन व्यक्तियों में, परिधीय संवेदी तंत्रिकाएं आमतौर पर रोग प्रक्रियासे अप्रभावित होती हैं। जैसा कि संवेदना संरक्षित है, तंत्रिका को निरंतरता में रखना और चोट से बचना अनिवार्य है, और एमसी-आरपीएनआई हिस्टोलॉजी (चित्रा 3), इम्यूनोहिस्टोकेमिस्ट्री (चित्रा 4), और मांसपेशी समारोह के मूल्यांकन (तालिका 2) के आधार पर पूरी तरह से दूर-आंतरिक लक्ष्यों के लिए किसी भी नुकसान से बचता प्रतीत होता है।

एमसी-आरपीएनआई निहित परिधीय तंत्रिका के संपार्श्विक अक्षीय अंकुरण की अवधारणा पर निर्भर करता है, एक अवधारणा जो पूर्व शोध52 और एंड-टू-साइड न्यूरोरैफी54,55 की अच्छी तरह से वर्णित शल्य चिकित्सा तकनीक दोनों में आसानी से प्रदर्शित की गई है। एमसी-आरपीएनआई निर्माण के दौरान मांसपेशियों के ग्राफ्ट के पर्याप्त पुन: प्रवेश को सुनिश्चित करने और दूर-आंतरिक लक्ष्यों पर नकारात्मक प्रभाव से बचने के लिए, तंत्रिका का सावधानीपूर्वक संचालन अनिवार्य है। तंत्रिका के विच्छेदन के दौरान, आघात को केवल एपिन्यूरियम या संयोजी ऊतक के संक्षिप्त हैंडलिंग के माध्यम से टाला जा सकता है। हालांकि, एमसी-आरपीएनआई निर्माण में तंत्रिका चोट की संभावना एपिन्यूरियल विंडो चरण के दौरान सबसे अधिक है। तंत्रिका तंतुओं के तेज ट्रांससेक्शन से बचने के लिए, गैर-प्रयोगात्मक चूहों पर अभ्यास के कई अवसरों के बाद केवल उच्च शक्ति वाले सर्जिकल माइक्रोस्कोप (कम से कम 5x) के तहत इस चरण को करने की सिफारिश की जाती है। यह कदम मास्टर करने के लिए कई प्रयास कर सकता है, और प्रयोगात्मक विश्लेषण के लिए लक्षित चूहों पर पहले इस चरण को करने की सिफारिश नहीं की जाती है। सैद्धांतिक रूप से, न्यूरोमा-इन-निरंतरता एक जटिलता है जो एमसी-आरपीएनआई निर्माण के बाद हो सकती है, खासकर महत्वपूर्ण तंत्रिका आघात की उपस्थिति में। हालांकि, विकास में कई वर्षों में इस जटिलता का सामना नहीं किया गया है।

एमसी-आरपीएनआई के साथ किए गए अधिकांश प्रयोग आम पेरोनल तंत्रिका पर किए गए हैं, क्योंकि इसकी पहुंच में अपेक्षाकृत आसानी के साथ-साथ दूरस्थ-आंतरिक लक्ष्यों का मूल्यांकन भी किया गया है। सैद्धांतिक रूप से, मोटर घटक के साथ किसी भी परिधीय तंत्रिका को प्रतिस्थापित किया जा सकता है। शुद्ध संवेदी अक्षतंतु का उपयोग किया जा सकता है क्योंकि मांसपेशियों के ऊतकों में संवेदी घटक (स्पिंडल फाइबर, गोल्गी कण्डरा अंग, आदि) होते हैं, लेकिन ये प्रयोग अब तक आयोजित नहीं किए गए हैं, और परिणामों की भविष्यवाणी करना मुश्किल है। एमसी-आरपीएनआई के मांसपेशी ग्राफ्ट घटक के लिए, ग्राफ्ट लंबाई और चूहे की उम्र के आधार पर ग्राफ्ट 20-150 मिलीग्राम तक होता है, और किसी भी समान आकार के मांसपेशी ग्राफ्ट का सफलतापूर्वक उपयोग किया जा सकता है। मांसपेशी ग्राफ्ट पुनर्जनन कुछ हद तक रिवैस्कुलराइज करने की क्षमता पर निर्भर करता है, और बड़े / मोटे ग्राफ्ट में नेक्रोसिस और फाइब्रोसिस से गुजरने की अधिक संभावना होती है, जिससे समग्र सिग्नलिंग क्षमता प्रभावितहोती है। विशेष रूप से आरपीएनआई पर किए गए शोध ने सफल मांसपेशी पुनर्जनन और 300 मिलीग्राम56 तक ग्राफ्ट में सिग्नल प्रवर्धन के रखरखाव का संकेत दिया है। चूहे की नस्ल के संबंध में, लुईस और फिशर की सिफारिश की जाती है क्योंकि प्रयोगात्मक उद्देश्यों के लिए उपयोग किए जाने वाले अधिकांश अन्य चूहों को तंत्रिका चोट57,58 के लिए द्वितीयक आत्म-उत्परिवर्तन के लिए जाना जाता है।

कुल मिलाकर, एमसी-आरपीएनआई निर्माण के साथ वर्तमान अनुभवों ने <5% की विफलता दर का उत्पादन किया है। देखी गई सबसे आम निर्माण विफलताओं को आमतौर पर मांसपेशी ग्राफ्ट सेगमेंट के लिए जिम्मेदार ठहराया जाता है, जिसके बाद जोखिम पर उन्हें या तो एट्रोफिक या तंत्रिका से हटा दिया जाता है। हटाए गए एमसी-आरपीएनआई आमतौर पर निर्माण के समय अपर्याप्त झुकाव के परिणामस्वरूप होते हैं, जिससे परिधीय रूप से लपेटे गए मांसपेशी ग्राफ्ट का "उद्घाटन" होता है और अंततः निहित तंत्रिका का आंशिक एक्सट्रूज़न होता है। हालांकि, ये एमसी-आरपीएनआई आमतौर पर सिग्नल प्रवर्धन क्षमताओं की कुछ डिग्री (यद्यपि कम) बनाए रखते हैं क्योंकि ग्राफ्ट का एक हिस्सा अभी भी तंत्रिका में सुरक्षित रहता है। एट्रोफिक एमसी-आरपीएनआई एक्सपोजर पर स्पष्ट हैं क्योंकि उनमें विशिष्ट कंकाल की मांसपेशियों की उपस्थिति की कमी होती है, जो अक्सर हल्के गुलाबी से भूरे / सफेद रंग के निशान ऊतक से अप्रभेद्य होती है (चित्रा 2 सी)। मांसपेशियों के ऊतकों का शोष कई कारकों के परिणामस्वरूप हो सकता है, जिसमें संक्रमण, मांसपेशियों के ग्राफ्ट का बहुत बड़ा / मोटा, निर्माण के दौरान तीव्र रक्त हानि एनीमिया, मांसपेशियों और / या तंत्रिका की चोट, साथ ही एपिन्यूरियल की विफलता शामिल है, जिससे तंत्रिका पर ग्राफ्ट का पिस्टनिंग होता है, जिससे रिवैस्कुलराइजेशन कम हो जाता है। इलेक्ट्रोफिजियोलॉजिकल परीक्षण पर, एट्रोफिक एमसी-आरपीएनआई आमतौर पर बहुत कम सिग्नल प्रवर्धन का उत्पादन करते हैं; यदि उच्च-संवेदनशीलता इलेक्ट्रोड का उपयोग किया जाता है, तो अंतर्निहित तंत्रिका के सीएनएपी की रिकॉर्डिंग को एट्रोफिक मांसपेशी के माध्यम से दर्ज किया जा सकता है। यदि कई प्रयोगात्मक विषयों में महत्वपूर्ण शोष नोट किया जाता है, तो किसी को प्रोटोकॉल पर लौटना चाहिए और यह निर्धारित करना चाहिए कि किन चरणों में समायोजन की आवश्यकता है। बेशक, यदि मूल्यांकन करते समय कोई संकेत दर्ज नहीं किए जाते हैं, तो समस्या निवारण करना महत्वपूर्ण है और यह नहीं मानना चाहिए कि निर्माण विफलता है। डिवाइस सेट अप की समस्या निवारण सर्वोपरि है, क्योंकि संकेतों की कमी क्षतिग्रस्त इलेक्ट्रोड (प्रतिबाधा <16 Ω की सिफारिश), गलत इलेक्ट्रोड कॉन्फ़िगरेशन, या यहां तक कि अपर्याप्त समीपस्थ तंत्रिका उत्तेजना (कुछ नसों को डाउनस्ट्रीम एमसी-आरपीएनआई में सीएमएपी का उत्पादन शुरू करने के लिए 0.5-5 एमए विद्युत उत्तेजना की आवश्यकता होती है) के लिए द्वितीयक हो सकती है।

चरम कमजोरी वाले लोगों में एक्सोस्केलेटन उपयोग के लिए मानव-मशीन इंटरफेसिंग के वर्तमान तरीके आमतौर पर परिधीय नसों या मांसपेशियों के ऊतकों से ईएमजी से प्राप्त रिकॉर्डिंग पर निर्भर करते हैं। जैसा कि पहले चर्चा की गई है, एमसी-आरपीएनआई उन व्यक्तियों के लिए एक्सोस्केलेटन नियंत्रण के संबंध में महत्वपूर्ण लाभ प्रदान करताहै, जिनके पास गंभीर रूप से क्षतिग्रस्त या अनुपस्थित मांसपेशी ऊतक हैं जहां ईएमजी रिकॉर्डिंग संभव नहीं है। एमसी-आरपीएनआई वर्तमान परिधीय तंत्रिका इंटरफेसिंग विकल्पों पर भी एक लाभ प्रदान करता है, जिसमें एक्स्ट्रान्यूरल इलेक्ट्रोड 30,31,32,33, इंट्राफैसिकुलर इलेक्ट्रोड34,35,36 और पेनिट्रेटिंग इलेक्ट्रोड 37,38,39,40 शामिल हैं। . चूंकि अंतर्निहित तंत्रिका संकेत आमतौर पर माइक्रोवोल्ट के स्तर पर होते हैं, एमसी-आरपीएनआई में इन तंत्रिका संकेतों को 30 बार से अधिक बढ़ाने की क्षमता होती है, जिससे पृष्ठभूमि शोर से मोटर इरादे का सटीक पता लगाने की सुविधा मिलती है और इस प्रकार विश्वसनीय एक्सोस्केलेटन नियंत्रण सक्षम होता है। पुराने उपयोग के साथ, वर्तमान इलेक्ट्रोड-आधारित विधियां अंततः विवो और विदेशी शरीर की प्रतिक्रिया में भौतिक दीर्घायु में निहित जटिलताओं को दूर करने के लिए संघर्ष करती हैं, जटिलताओं एमसी-आरपीएनआई अपने जैविक मूल को देखते हुए बचने में सक्षम है। समय के साथ, इन विदेशी शरीर प्रतिक्रियाओं के परिणामस्वरूप ऊतक क्षति, निशान ऊतक गठन, और अंततः अक्षीय विघटन और अध: पतन होता है। छह महीने तक किए गए प्रयोगों ने न्यूरोनल चोट, निशान, या फाइब्रोसिस / डिस्टल-इनरवेट मांसपेशी ऊतक के अध: पतन का कोई सबूत नहीं दिखाया है (चित्रा 3), और तीन साल की अवलोकन अवधि47 में मानव विषयों में नोट किए गए आरपीएनआई स्थिरता के साथ संयोजन में, यह निष्कर्ष निकालना उचित है कि एमसी-आरपीएनआई वर्षों से दशकों के पैमाने पर परिधीय नसों के साथ सफलतापूर्वक इंटरफेस कर सकता है।

एमसी-आरपीएनआई का उपयोग विभिन्न प्रकार के विकृतियों में एक्सोस्केलेटन नियंत्रण के लिए किया जाना है, जिसमें तंत्रिका तंत्र के स्तर के साथ-साथ मांसपेशियों पर भी उत्पन्न होता है। उदाहरण के लिए, मांसपेशी-आधारित विकृति में आघात, मांसपेशियों की डिस्ट्रोफी, भड़काऊ मायोपैथी और मायस्थेनिया ग्रेविस से लेकर स्थितियां शामिल हो सकती हैं। गहन मांसपेशियों की क्षति और कमजोरी के बावजूद, जिसके परिणामस्वरूप इन स्थितियों 1,2,3 हो सकते हैं, बहुमत में कम मोटर न्यूरॉन्स हैं जो एमसी-आरपीएनआई पुनर्निरोध और मोटर इरादे का पता लगाने की सुविधा प्रदान करेंगे। उन स्थितियों के लिए जिनके परिणामस्वरूप व्यापक मांसपेशी रोग (मांसपेशियों की डिस्ट्रोफी, आदि) होती है, यह निश्चित रूप से संभव है कि मुक्त मांसपेशी ग्राफ्ट घटक प्रभावित हो सकता है, इस प्रकार प्रवर्धन क्षमता को सीमित कर सकता है। हालांकि, यह देखते हुए कि एक मोटर इकाई (10-400 μV)59 का पता लगाने से परिधीय तंत्रिका संकेतों का प्रवर्धन प्रदान किया जा सकता है, यह मानना उचित है कि एमसी-आरपीएनआई में इस आबादी में एक्सोस्केलेटन नियंत्रण की सुविधा के लिए अपने छोटे, परिभाषित क्षेत्र के भीतर पर्याप्त मोटर इकाइयां होंगी। हालांकि, निर्माण की एक महत्वपूर्ण सीमा उन विकृतियों में है, जिसके परिणामस्वरूप ऊपरी और / या निचले मोटर न्यूरॉन्स में काफी कमी आती है, जैसे कि स्ट्रोक, रीढ़ की हड्डी की चोट, रीढ़ की हड्डी की चोट (एसएमए), और एमियोट्रोफिक लेटरल स्केलेरोसिस (एएलएस)। एमसी-आरपीएनआई को पुनर्जीवित करने के लिए एक उपयुक्त परिधीय तंत्रिका फाइबर आबादी के बिना, यह पुनर्जीवित नहीं हो सकता है और सिग्नल प्रवर्धन प्रदान नहीं कर सकता है, जिससे निर्माण विफलता हो सकती है। पर्याप्त एमसी-आरपीएनआई फ़ंक्शन के लिए आवश्यक कार्यात्मक परिधीय तंत्रिका तंतुओं की न्यूनतम आबादी निर्धारित करने के लिए प्रयोग किए जा रहे हैं।

एमसी-आरपीएनआई पूर्ववर्ती, आरपीएनआई ने परिधीय तंत्रिकाओं से उत्पन्न संकेतों के प्रवर्धन और रिकॉर्डिंग के माध्यम से मानव विषयों में संचालित प्रोस्थेटिक्स के सटीक नियंत्रण के साथ अथाह सफलता दिखाई है। सबसे विशेष रूप से, यह प्रोस्थेटिक डिवाइस के पुन: संचालन या पुन: कैलिब्रेशन के बिना महीनों से वर्षों के पैमाने पर ऐसा करने में सक्षम है। क्रॉस-टॉक से सिग्नल संदूषण पर एक्सोस्केलेटन नियंत्रण केंद्र के लिए मानव-मशीन इंटरफेसिंग के वर्तमान तरीकों के साथ आम शिकायतें और ईएमजी-निर्भर विधियों में लगातार रीकैलिब्रेशन की आवश्यकता 26,27,28, और समय के साथ परिधीय तंत्रिका इंटरफ़ेस अस्थिरता के कारण माध्यमिक सर्जरी की आवश्यकता होती है 37,39,44 . एमसी-आरपीएनआई, हालांकि, अपने जैविक मेकअप के साथ-साथ रणनीतिक प्लेसमेंट क्षमताओं को देखते हुए इन जटिलताओं से बचने में सक्षम है। मानव विषयों में उपयोग के लिए मार्ग प्रशस्त करने और चरम कमजोरी के साथ रहने वालों में सटीक, विश्वसनीय एक्सोस्केलेटन उपकरणों के अंतिम व्यापक उपयोग के लिए इस निर्माण की पूरी तरह से समझ स्थापित करना अनिवार्य है।

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Disclosures

लेखकों के पास कोई खुलासा नहीं है।

Acknowledgments

लेखक अपने विशेषज्ञ प्रयोगशाला प्रबंधन और तकनीकी सहायता के लिए जन मून और उनकी इमेजिंग विशेषज्ञता के लिए चार्ल्स ह्वांग को धन्यवाद देते हैं। इस पेपर में प्रयोगों को एसएस (3135146.4) के साथ-साथ एसएस को पुरस्कार संख्या 1 एफ 32एचडी 100286-01 के तहत राष्ट्रीय बाल स्वास्थ्य और मानव विकास संस्थान और पुरस्कार संख्या पी 30 एआर 069620 के तहत राष्ट्रीय स्वास्थ्य संस्थान के गठिया और मस्कुलोस्केलेटल और त्वचा रोग संस्थान के माध्यम से वित्त पोषित किया गया था।

Materials

Name Company Catalog Number Comments
#15 Scalpel Aspen Surgical, Inc Ref 371115 Rib-Back Carbon Steel Surgical Blades (#15)
2-N-thin film load cell (S100) Strain Measurement Devices, Inc SMD100-0002 Measures force generated by the attached muscle
4-0 Chromic Suture Ethicon SKU# 1654G P-3 Reverse Cutting Needle
5-0 Chromic Suture Ethicon SKU# 687G P-3 Reverse Cutting Needle
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
Fine Forceps - mirror finish Fine Science Tools 11413-11 Fine tipped forceps with mirror finish ideal for handling delicate structures like nerves
Fluriso (Isofluorane) VetOne 13985-528-40 Inhalational Anesthetic
Force Measurement Jig Red Rock n/a Custom designed force measurement jig that allows for immobilization of hindlimb to allow for accurate muscle force recording
MATLAB software Mathworks, Inc PR-MATLAB-MU-MW-707-NNU Calculates active force for each recorded force trace from passive and total force measurements
Nicolet Viasys EMG EP System Nicolet MFI-NCL-VIKING-SELECT-2CH-EMG Portable EMG and nerve signal recording system capable of simultaneous 2 channel recordings from nerve and/or muscle
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
Vannas Spring Scissors - 2mm cutting edge Fine Science Tools 15000-04 Curved micro-dissection scissors used to perform the epineurial window
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

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बायोइंजीनियरिंग अंक 179 परिधीय तंत्रिका मांसपेशी कफ एक्सोस्केलेटन एमसी-आरपीएनआई मानव-मशीन इंटरफ़ेस न्यूरोमस्कुलर इंटरफ़ेस
बरकरार परिधीय तंत्रिका संकेतों के प्रवर्धन के लिए मांसपेशी कफ पुनर्योजी परिधीय तंत्रिका इंटरफ़ेस
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Svientek, S. R., Wisely, J. P.,… More

Svientek, S. R., Wisely, J. P., Dehdashtian, A., Bratley, J. V., Cederna, P. S., Kemp, S. W. P. The Muscle Cuff Regenerative Peripheral Nerve Interface for the Amplification of Intact Peripheral Nerve Signals. J. Vis. Exp. (179), e63222, doi:10.3791/63222 (2022).

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