Waiting
Login processing...

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

Bioengineering

Muskelmansjettens regenerative perifere nervegrensesnitt for forsterkning av intakte perifere nervesignaler

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

Dette manuskriptet gir en innovativ metode for å utvikle et biologisk perifert nervegrensesnitt kalt Muscle Cuff Regenerative Peripheral Nerve Interface (MC-RPNI). Denne kirurgiske konstruksjonen kan forsterke den tilhørende perifere nervens motoriske efferente signaler for å lette nøyaktig deteksjon av motorisk hensikt og potensiell kontroll av eksoskjelettanordninger.

Abstract

Robotiske eksoskjeletter har nylig fått anerkjennelse innen rehabiliterende medisin som en lovende modalitet for funksjonell restaurering for de individer med ekstremitetssvakhet. Imidlertid forblir bruken av dem i stor grad begrenset til forskningsinstitusjoner, og opererer ofte som et middel til statisk ekstremitetsstøtte, da motoriske deteksjonsmetoder forblir upålitelige. Perifere nervegrensesnitt har oppstått som en potensiell løsning på denne mangelen; På grunn av deres iboende små amplituder kan disse signalene imidlertid være vanskelige å skille fra bakgrunnsstøy, noe som reduserer deres generelle motordeteksjonsnøyaktighet. Ettersom nåværende grensesnitt er avhengige av abiotiske materialer, kan nedbrytning av iboende materiale oppstå sammen med fremmedlegemets vevsreaksjon over tid, noe som ytterligere påvirker nøyaktigheten. Muscle Cuff Regenerative Peripheral Nerve Interface (MC-RPNI) ble designet for å overvinne disse nevnte komplikasjonene. Bestående av et segment av fri muskeltransplantasjon sikret circumferentially til en intakt perifer nerve, regenererer konstruksjonen og blir reinnervated av inneholdt nerve over tid. Hos rotter har denne konstruksjonen vist evnen til å forsterke en perifer nerves motoriske efferente virkningspotensialer opptil 100 ganger den normale verdien gjennom generering av sammensatte muskelvirkningspotensialer (CMAP). Denne signalforsterkningen muliggjør deteksjon av motorens hensikt med høy nøyaktighet, noe som potensielt muliggjør pålitelig utnyttelse av eksoskjelettenheter.

Introduction

I USA alene er omtrent 130 millioner mennesker rammet av nevromuskulære og muskuloskeletale lidelser, noe som resulterer i over 800 milliarder dollar i årlig økonomisk innvirkning 1,2. Denne gruppen av lidelser er vanligvis sekundær til patologi i nervesystemet, ved det nevromuskulære krysset elleri selve muskelen. Til tross for ulik patologisk opprinnelse deler flertallet en viss grad av ekstremitetssvakhet 1,3. Dessverre er denne svakheten ofte permanent gitt begrensningene i nevral og muskelvevregenerering, spesielt i innstillingen av alvorlig traumer 4,5,6.

Behandlingsalgoritmer for ekstremitetssvakhet har klassisk fokusert på rehabiliterende og støttende tiltak, ofte avhengig av å utnytte evnene til de gjenværende intakte lemmene (stokker, rullestoler, etc.) 7. Denne strategien kommer imidlertid til kort for de hvis svakhet ikke er begrenset til en enkelt ekstremitet. Med nylige innovasjoner innen robotteknologi er det utviklet avanserte eksoskjelettenheter som gjenoppretter ekstremitetsfunksjonalitet til de som lever med ekstremitetssvakhet 8,9,10,11,12,13. Disse robotiske eksoskjelettene er ofte drevne, bærbare enheter som kan hjelpe til med initiering og avslutning av bevegelse eller vedlikehold av lemposisjon, og gir en varierende mengde kraft som kan skreddersys individuelt for brukeren 8,9,10,11,12,13 . Disse enhetene er klassifisert som enten passive eller aktive, avhengig av hvordan de gir motorassistanse til brukeren: aktive enheter inneholder elektriske aktuatorer som øker kraften til brukeren, mens passive enheter lagrer energi fra brukerens bevegelser for å frigjøre den tilbake til brukeren når det er nødvendig14. Ettersom aktive enheter har muligheten til å øke brukerens strømegenskaper, brukes disse enhetene langt oftere i forbindelse med ekstremitetssvakhet[14].

For å bestemme motorisk hensikt i denne populasjonen, er moderne eksoskjeletter vanligvis avhengige av mønstergjenkjenningsalgoritmer generert fra enten elektromyografi (EMG) av distale lemmermuskler 8,15,16,17 eller overflateelektroencefalografi (sEEG) av hjernen18,19,20 . Til tross for løftet om disse deteksjonsmodalitetene, har begge alternativene betydelige begrensninger som utelukker utbredt bruk av disse enhetene. Ettersom sEEG oppdager signaler på mikrovoltnivå transkranielt18,19,20, fokuserer kritikken ofte på manglende evne til å skille disse signalene fra bakgrunnsstøy 21. Når bakgrunnsstøy ligner på ønsket opptakssignal, gir dette lave signal-til-støy-forhold (SNR), noe som resulterer i unøyaktig motordeteksjon og klassifisering22,23. Nøyaktig signaldeteksjon er i tillegg avhengig av stabil hodebunnskontakt med lav impedans21, som kan påvirkes betydelig av tilstedeværelsen av grovt / tykt hår, brukeraktivitet og til og med svette22,24. I kontrast er EMG-signaler flere størrelser større i amplitude, noe som letter større motorsignaldeteksjonsnøyaktighet15,18,25. Dette kommer imidlertid til en pris, da nærliggende muskler kan forurense signalet, redusere frihetsgradene som kan kontrolleres av enheten 16,17,25 og en manglende evne til å oppdage dyp muskelbevegelse25,26,27,28. Det viktigste er at EMG ikke kan brukes som kontrollmetode når det er betydelig muskelkompromiss og fullstendig fravær av vev29.

For å fremme utviklingen av robotiske eksoskjeletter, er det nødvendig med konsekvent og nøyaktig deteksjon av motorintensjonen til den tiltenkte brukeren. Grensesnitt som utnytter det perifere nervesystemet har oppstått som en lovende grensesnittteknikk, gitt deres relativt enkle tilgang og funksjonelle selektivitet. Nåværende perifere nervegrensesnittmetoder kan være invasive eller ikke-invasive og faller vanligvis innenfor en av tre kategorier: ekstraneurale elektroder 30,31,32,33, intrafascikulære elektroder 34,35,36 og penetrerende elektroder37,38,39,40 . Siden perifere nervesignaler generelt er på mikrovoltnivå, kan det være vanskelig å skille disse signalene fra lignende amplitude bakgrunnsstøy41,42, noe som reduserer de generelle motordeteksjonsnøyaktighetsegenskapene til grensesnittet. Disse lave signal-til-støy-forholdene (SNR) forverres ofte over tid sekundært til forverret elektrodeimpedans 43 produsert fra enten nedbrytning av enheten39,43, eller lokal fremmedlegemereaksjon som produserer arrvev rundt enheten og / eller lokal aksonal degenerasjon37,44. Selv om disse manglene generelt kan løses med reoperasjon og implantasjon av et nytt perifert nervegrensesnitt, er dette ikke en levedyktig langsiktig løsning, da fremmedlegeassosierte reaksjoner vil fortsette å forekomme.

For å unngå disse lokale vevsreaksjonene generert fra perifere nervers interaksjon med abiotiske grensesnitt, er det nødvendig med et grensesnitt som inneholder en biologisk komponent. For å løse denne mangelen ble det regenerative perifere nervegrensesnittet (RPNI) utviklet for å integrere transekterte perifere nerver i resterende lemmer hos de med amputasjoner med proteser45,46,47,48. Fabrikasjon av RPNI innebærer kirurgisk implantasjon av en transektert perifer nerve i et segment av autolog fri muskeltransplantasjon, med revaskularisering, regenerering og reinnervasjon som oppstår over tid. Gjennom generering av milli-volt nivå sammensatte muskelaksjonspotensialer (CMAPs), er RPNI i stand til å forsterke sin inneholdt nerve mikro-volt nivå signal med flere størrelser, noe som letter nøyaktig deteksjon av motor hensikt45,48,49. Det har vært betydelig utvikling av RPNI i løpet av det siste tiåret, med bemerkelsesverdig suksess i å forsterke og overføre efferente motoriske nervesignaler i både dyr50,51 og menneskelige47 forsøk, noe som letter høy nøyaktighet protese enhet kontroll med flere grader av frihet.

Personer med ekstremitetssvakhet, men intakte perifere nerver, vil på samme måte ha nytte av høy nøyaktighetsdeteksjon av motorisk hensikt gjennom perifere nervegrensesnitt for å kontrollere eksoskjelettenheter. Da RPNI ble utviklet for integrasjon med transekterte perifere nerver, som hos personer med amputasjoner, var kirurgiske modifikasjoner nødvendige. Basert på erfaring med RPNI ble Muscle Cuff Regenerative Peripheral Nerve Interface (MC-RPNI) utviklet. Den består av et tilsvarende segment av fritt muskeltransplantat som ved RPNI, og sikres i stedet omkrets til en intakt perifer nerve (figur 1). Over tid regenererer den og blir reinnervert gjennom kollateral aksonal spiring, forsterker og oversetter disse efferente motoriske nervesignalene til EMG-signaler som er flere størrelsesordener større52. Siden MC-RPNI er biologisk opprinnelse, unngår den den uunngåelige fremmedlegemereaksjonen som oppstår med perifere nervegrensesnitt som for tiden er i bruk52. Videre gir MC-RPNI muligheten til å kontrollere flere frihetsgrader samtidig, da de kan plasseres på distalt dissekerte nerver til individuelle muskler uten betydelig kryssprat, som tidligere har blitt demonstrert i RPNIs49. Endelig kan MC-RPNI operere uavhengig av distal muskelfunksjon som den er plassert på proksimal nerve. Gitt fordelene i forhold til dagens perifere nervegrensesnitt, har MC-RPNI et betydelig løfte om å gi en sikker, nøyaktig og pålitelig metode for eksoskjelettkontroll.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

Alle dyreprosedyrer og eksperimenter ble utført med godkjenning av University of Michigan's Institutional Care and Use of Animals Committee (IACUC). Mannlige og kvinnelige Fischer F344 og Lewis rotter (~ 200-300 g) ved 3-6 måneders alder brukes oftest i eksperimenter, men enhver stamme kan teoretisk benyttes. Ved bruk av donorrotter i stedet for autologe muskeltransplantater, må donorrotter være isogene til forsøksstammen. Rotter får fri tilgang til mat og vann både før og etter operasjonen. Etter terminale endepunktevalueringer utføres eutanasi under dyp anestesi med intrakardial kaliumkloridinjeksjon etterfulgt av en sekundær metode for bilateral pneumothorax.

1. Eksperimentell forberedelse av rotten

  1. Bedøv forsøksrotten ved å benytte en løsning av 5 % isofluran i oksygen ved 0,8-1,0 l/min i et induksjonskammer. Når tilstrekkelig anestesi er oppnådd og bekreftet med fravær av hornhinnerefleks, plasser rotta på en rebreather nesekegle med isofluran senket til 1,75% -2,25% for vedlikehold av anestesi.
  2. Injiser en oppløsning på 0,02-0,03 ml Carprofen (50 mg/ml) i 0,2 ml steril saltvann med 27 G nål i subkutant plan mellom skulderbladene for peri- og postoperativ analgesi.
  3. Påfør steril øyesalve på begge øynene for å forhindre hornhinnenesår mens de er bedøvet.
  4. Bruk en elektrisk barberhøvel, barber den laterale delen av de bilaterale underekstremitetene, som strekker seg fra hofteleddet, over låret og til potens dorsale overflate.
  5. Steriliser operasjonsstedet ved først å tørke av med en alkoholprep-pute, etterfulgt av povidon-jodoppløsningsapplikasjon, og avslutt med en sluttrengjøring med en ny alkoholprep-pute for å fjerne den gjenværende povidon-jodoppløsningen. Gjenta denne vekslende renseprosessen tre ganger for å opprettholde steriliteten.
    MERK: Dette kan være en dermatologisk irriterende; Sørg for at mesteparten av løsningen fjernes.

2. Forberedelse av muskeltransplantatet

  1. Plasser rotta på en varmepute under et kirurgisk mikroskop med en intraoral kroppstemperatur sonde av valget for kroppstemperatur overvåking. Oppretthold isofluran ved 1,75% -2,25% og oksygen ved 0,8-1,0 l / min.
  2. Gjør et langsgående snitt langs det fremre aspektet av ønsket donorbakben som strekker seg fra like over ankelen til like under kneet med en #15 skalpell.
  3. Disseker gjennom det underliggende subkutane vevet ved hjelp av skarp irissaks for å eksponere den underliggende muskulaturen og distale sener bare proksimalt for ankelleddet. Tibialis anterior (TA) er den største og mest fremre av musklene; extensor digitorum longus (EDL) muskelen kan bli funnet bare dyp og bakre til denne muskelen. Isoler EDL-muskelen og dens distale sene fra den omkringliggende muskulaturen.
  4. Sørg for isolering av riktig sene ved å sette inn begge tindene i en tang eller irissaks under den distale senen bare proksimalt til ankelleddet. Utøve press oppover på senen ved å åpne enten tangen eller irissaksen. Denne bevegelsen skal produsere en samtidig forlengelse av alle tærne samtidig. Hvis isolert ankel dorsiflexion, ankel eversjon, eller enkelt tå dorsiflexion oppstår, har feil sene blitt isolert.
  5. Utfør en distal tenotomi av EDL-muskelen på ankelnivå med skarp irissaks og disseker muskelen fri for omgivende vev som arbeider proksimalt mot sin tendinøse opprinnelse.
  6. Når den proksimale senen er visualisert, utfør en proksimal tenotomi ved hjelp av skarp irissaks for å frigjøre transplantatet.
  7. Trim begge tendinøse ender av muskeltransplantatet og kutt til ønsket lengde med skarp irissaks.
    MERK: Grafts som måler 8-13 mm har blitt brukt med suksess; Den vanligste lengden som brukes er imidlertid 10 mm.
  8. På den ene siden av muskeltransplantatet, gjør et langsgående snitt langs hele trimmet lengde for å lette plasseringen av nerven i muskeltransplantatet og gi kontakt av nerven med endomysium.
  9. Plasser det forberedte muskeltransplantatet i et saltvannsfuktet gasbind for å forhindre uttørking av vev.
  10. Lukk huden over donorstedet med 4-0 kromisk sutur på en løpende måte.

3. Vanlig peroneal nerve isolasjon og forberedelse

  1. Merk det kirurgiske snittet, som vil strekke seg fra en linje ~ 5 mm fra isjiashakket, som strekker seg til bare dårligere enn kneleddet. Sørg for at denne merkingen er dårligere enn og vinklet bort fra lårbenet som kan palperes under.
  2. Snitt gjennom huden og underhudsvev langs den markerte snittlinjen med et #15-blad. Skjær forsiktig gjennom den underliggende biceps femoris fascia, pass på at du ikke strekker deg gjennom hele muskeldybden, da isjiasnerven ligger like nedenfor.
  3. Bruk stump-tipped liten saks eller en hemostat, dissekere forsiktig gjennom biceps femoris muskelen.
    MERK: Isjiasnerven beveger seg i dette rommet under biceps, orientert i omtrent samme retning som snittet som er merket på huden. Det er tre bemerkelsesverdige isjiasnervegrener: sural (mest bakre og minste av nervene), tibial (vanligvis mest fremre, men denne nerven dykker alltid dypt til kneleddet) og vanlig peroneal (vanligvis plassert mellom tibial og sural, reiser alltid over kneleddet).
  4. Identifiser den vanlige peroneale (CP) nerven og isoler den forsiktig fra de omkringliggende nervene ved hjelp av et par mikrotang og mikrosaks. Fjern eventuelt omkringliggende bindevev fra midten av 2 cm av nerven. Pass på at du ikke knuser CP-nerven med tang i denne prosessen, da knusningsskader kan endre endepunktresultatene.
  5. Over den sentrale delen av den frigjorte CP-nerven, utfør et epineuralt vindu ved å fjerne 25% av epineuriet langs lengden av nerven som samsvarer med ønsket lengde på muskeltransplantatet.
  6. For å utføre dette hold det proksimale epineurium med mikrotang, kutt inn i epineurium umiddelbart underliggende med mikrodisseksjonssaks, og fjern ~ 25% av epineuriet som reiser distalt langs nerven. Pass på å fjerne dette segmentet i ett stykke, da flere forsøk kan forårsake uregelmessig epineurial fjerning, noe som øker risikoen for nerveskade.
    MERK: Nervevevet som ligger til grunn for epineurium vil ha en goo-lignende tekstur; Å merke seg denne kvaliteten på nerven sikrer at riktig vevsplan er fjernet.

4. MC-RPNI konstruere fabrikasjon

  1. Fjern muskeltransplantatet fra saltvannsfuktet gasbind og legg det under den sentrale delen av CP-nerven der epineurialvinduet ble opprettet. Roter nerven 180 ° slik at epineurialvinduet kontakter intakt muskel og ikke ligger til grunn for den eventuelle suturlinjen.
  2. Bruker en 8-0 nylon sutur, sutur epineurium av CP-nerven både proksimalt og distalt til muskeltransplantatet i sporet opprettet i trinn 2.8 ved hjelp av enkle avbrutte suturer for å sikre epineurium til endomysium.
    NOTAT: Plasser disse stingene, og sørg for at muskelen er i normal hvilelengde. Å strekke eller komprimere muskelen for mye kan påvirke regenerering og signaleringsevner senere.
  3. Omkrans kantene på muskeltransplantatet rundt den nå sikrede nerven og suturen på plass ved hjelp av enkel avbrutt 8-0 nylon masker (~ 4-6 avhengig av lengde).
  4. Når hemostase er oppnådd, lukk biceps femoris fascia over konstruksjonen med 5-0 kromisk sutur i løpende mote.
  5. Lukk den overliggende huden på løpende måte med en 4-0 kromisk sutur.
  6. Rens det kirurgiske området med en alkohol prep pad og bruk antibiotisk salve.
  7. Avslutt inhalasjonsbedøvelse og legg rotta i et rent bur isolert fra burkamerater og la det komme seg med mat og vann ad lib.
  8. Når rotta har kommet seg på riktig måte, plasser den tilbake med burkamerater i et rent bur.
    MERK: Disse konstruksjonene krever modning på minst tre måneder for å produsere tilstrekkelig nervesignalforsterkning.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

MC-RPNI kirurgisk fabrikasjon betraktes som en perioperativ svikt hvis rotter ikke overlever fremveksten fra kirurgisk anestesi eller utvikler en infeksjon innen en uke etter operasjonen. Tidligere forskning har indikert at en 3 måneders modningsperiode vil resultere i pålitelig signalforsterkning fra denne konstruksjonen42,45,48,49. På det tidspunktet eller deretter kan kirurgisk eksponering av konstruksjonene og evalueringen forekomme. Hvis MC-RPNI-fabrikasjon var vellykket, bør revaskularisert muskel være lett synlig på det opprinnelige MC-RPNI-implantasjonsstedet (figur 2B). Vellykkede MC-RPNIer vil i tillegg trekke seg sammen etter proksimal nervestimulering (Video 1). Til tider kan signifikant arrdannelse og atrofisk muskeltransplantasjon være tilstede (figur 2C), noe som indikerer svikt i revaskularisering / regenerering som vanligvis er sekundær til for stor transplantat, feil håndtering eller perioperativ vevsskade. Disse atrofiske transplantatene har vanligvis en viss grad av sammentrekning ved proksimal nervestimulering, men gir lavere signalforsterkning. Samlet sett anses det som en fabrikasjonssvikt hvis MC-RPNI ved eksponering blir funnet løsrevet fra nerven eller ikke har noen sammentrekning ved proksimal nervestimulering.

Histologisk analyse av disse konstruksjonene skal vise levedyktig nerve- og muskelvev uten signifikant fibrose eller arrdannelse (figur 3). Immunhistokjemi kan også utføres for å bekrefte tilstedeværelse av innerverte nevromuskulære veikryss med nevrofilament som generell nervemarkør i kombinasjon med alfa-bungarotoksin som markør for postsynaptiske acetylkolinreseptorer (figur 4). Hvis målimplantert nerve ikke klarer å innervate muskelkomponenten i MC-RPNI, vil immunostaining ikke demonstrere noen sikkerhetsmotoriske nervespirer som krysser konstruksjonen, og heller ikke noen innerverte nevromuskulære veikryss.

Elektrofysiologisk testing kan utføres på disse konstruksjonene når som helst etter modning, med resultater publisert som viser stabile signaler spesielt i MC-RPNI ved 3 måneder52 og opptil 3 år i RPNI hos mennesker47. Elektrofysiologiske testskjemaer kan variere i henhold til tilgjengelig interesseområde og utstyr (figur 5), men evalueringer utføres oftest med maksimal stimulering til proksimalnerven med en krokelektrode etterfulgt av registrering av sammensatte muskelvirkningspotensialer (CMAP) generert ved MC-RPNI (tabell 1 ). Registrering av elektroder kan variere avhengig av brukerens preferanser, men epimysial patch / pad, epimysial bipolar sonde og penetrerende bipolare elektroder har blitt brukt eksperimentelt med suksess. Den gjennomsnittlige sammensatte nerveamplituden (CNAP) registrert ved CP-nerven etter mer proksimal nervestimulering var 119,47 μV ± 14,87 μV. Gjennomsnittlig CMAP-amplitude registrert ved MC-RPNI etter lignende proksimal CP-nervestimulering var 3,28 mV ± 0,49 mV, noe som resulterte i forsterkning av nervesignalet fra 11-87x, med en samlet gjennomsnittlig forsterkningsfaktor på 31,8 ± 7,70. Disse genererte CMAP-bølgeformene ligner på innfødte muskler, noe som ytterligere støtter at de har blitt reinnervert av deres inneholdte nerve (figur 6B).

For å sikre at MC-RPNI-fabrikasjon ikke forårsaker negativ funksjonell innvirkning, kan elektrofysiologisk og muskelkrafttesting utføres på distalt innervert muskel. Mesteparten av testingen er utført på den ipsilaterale EDL-muskelen, da den er lett tilgjengelig for testing og er innervert av den vanlige peroneale nerven (den kontralaterale EDL høstes for MC-RPNI-fabrikasjon og dermed ikke vurderes). CMAPs generert av fysiologisk EDL-muskel etter proksimal CP-nervestimulering varierer vanligvis fra 20-30 mV52. Når du utfører denne testen på rotter med implanterte MC-RPNIer, er EDL CMAPs ikke signifikant forskjellige, i gjennomsnitt 24,27 mV ± 1,34 mV. I tillegg, når man sammenligner genererte CMAP-bølgeformer mellom disse to gruppene, er de bemerkelsesverdig like (figur 6C). Som et tilleggsmål på distalt innervert muskelfunksjon kan muskelkrafttesting av muskelen av interesse forfølges (tabell 2). Etter proksimal CP-nervestimulering er gjennomsnittlig EDL maksimal tetanisk kraft generert hos MC-RPNI-personer 2451 mN ± 115 mN, tilsvarende den gjennomsnittlige kraften på 2497 mN ± 122 mN oppnådd fra EDL-muskel hos kontrollpersoner52.

Det overordnede formålet med MC-RPNI er å forsterke det inneholdte nervens mikrovoltnivåsignal med flere størrelser, øke SNR-forholdet og dermed legge til rette for nøyaktig deteksjon av motorens hensikt. Denne forsterkningen har vist seg å forekomme på en pålitelig måte i området 10-20 ganger 52, med nyere eksperimenter som oppnår forsterkningsfaktorer på over50 ganger; Derfor, hvis en konstruksjon ikke gir et lignende forsterkningsnivå, anses det som suboptimalt. Suboptimale resultater kan typisk tilskrives problemer på nivået av muskeltransplantatet i MC-RPNI, da ufullstendig regenerering og dermed reinnervasjon kan resultere i lavere enn standard CMAP, noe som senker konstruksjonens generelle forsterkningsevne. Den genererte bølgeformen er vanligvis dempet, med et merkbart unormalt utseende. Hvis muskeltransplantatet svikter helt, kan signalet målt ved muskelkomponenten enten være ikke-eksisterende (sekundært til signifikant arrvev) eller speile CNAP generert ved oppstrømsnerven.

Figure 1
Figur 1: Illustrerende skjema for MC-RPNI. Målets perifere nerve kan ses i gult i det omkringliggende muskeltransplantatet. MC-RPNI er i stand til å forsterke sin inneholdte nerve motoriske efferente handlingspotensialer på nivået av mikrovolt gjennom generering av sammensatte muskelaksjonspotensialer (CMAPs) flere størrelser større. Dette gjør det lettere å oppdage motorhensikt som lett kan skilles fra bakgrunnsstøy. Vennligst klikk her for å se en større versjon av denne figuren.

Figure 2
Figur 2: MC-RPNI in vivo. MC-RPNI er fremstilt ved hjelp av en autolog extensor digitorum longus (EDL) muskeltransplantasjon høstet fra den kontralaterale lemmen. Det er deretter circumferentially sikret til den vanlige peroneal nerve, med et eksempel MC-RPNI skissert i hvitt (A) på tidspunktet for første fabrikasjon. Den samme MC-RPNI er igjen avbildet i (B) på tidspunktet for endepunktevaluering 3 måneder etter. MC-RPNI har lignende farge som den omkringliggende muskelen og har beholdt en god del av volumet. Et eksempel på et atrofisk muskeltransplantat er vist i (C). MC-RPNI har et lignende utseende som omkringliggende arr og bindevev og har mistet betydelig volum. Vennligst klikk her for å se en større versjon av denne figuren.

Figure 3
Figur 3: MC-RPNI histologi. (A) H&E av et MC-RPNI-tverrsnitt med M som indikerer muskelkomponenten, og N, nerven. (B) Tverrsnitt av den ipsilaterale distalt innerverte EDL-muskelen hos en rotte med en MC-RPNI. (C) Tverrsnitt av EDL-muskel i en kontrollrotte uten MC-RPNI. Vennligst klikk her for å se en større versjon av denne figuren.

Figure 4
Figur 4: Immunostaining av MC-RPNI. Bildet øverst til venstre viser en langsgående del av en MC-RPNI-prøve med kjerner notert i blått (DAPI) og nervevev i grønt (nevrofilament). Et nærbilde av en annen MC-RPNI er vist nederst til høyre med flere nevromuskulære veikryss tilstede (alfa-bungarotoksin i rødt for acetylkolinreseptorer). Vennligst klikk her for å se en større versjon av denne figuren.

Figure 5
Figur 5: Oppsett av elektrofysiologisk evaluering av endepunkt. Elektrofysiologisk testing krever minst tre elektroder: (1) en jordingselektrode - ikke avbildet; (2) en nervestimulerende bipolar elektrode; og (3) en bipolar opptakselektrode. I dette oppsettet kan en bipolar stimulerende krokelektrode ses i hvitt til høyre for bildet plassert på den vanlige peroneale nerven. Den bipolare sondeelektroden registreres på distale MC-RPNI. Signaler registreres deretter fra MC-RPNI etter proksimal nervestimulering ved krokelektroden til maksimale CMAPer oppnås. Vennligst klikk her for å se en større versjon av denne figuren.

Figure 6
Figur 6: Standard elektrofysiologiske bølgeformer. Disse grafene viser typiske bølgeformer fanget under elektrofysiologisk analyse av en rotte med en implantert MC-RPNI etter proksimal CP-nervestimulering. (A) I blått er en CNAP (*) registrert fra CP-nerveproksimal til MC-RPNI avbildet. Systemartefakten angis med en (**). (B) Den representative CMAP registrert fra MC-RPNI etter den genererte CNAP i (A). (C) Den resulterende CMAP-bølgeformen registrert fra den ipsilaterale distalt innerverte EDL-muskelen. Vennligst klikk her for å se en større versjon av denne figuren.

Rotte-ID Rotte vekt (g) Nerve CNAP amplitude (μV) MC-RPNI CMAP amplitude (mv) Nervesignalforsterkningsfaktor Ventetid (ms)
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

Tabell 1: Endepunkt elektrofysiologisk analyse av MC-RPNIer. Et utvalg resultater fra rotter som gjennomgikk endepunktanalyse ved 3 (rotter 1-9) og 6 (rotter 10-12) måneder etter fabrikasjon. Etter proksimal vanlig peroneal (CP) nervestimulering ble sammensatte nervevirkningspotensialer (CNAPs) registrert ved nedstrøms CP-nerven, og sammensatte muskelvirkningspotensialer (CMAPs) ble registrert ved nedstrøms MC-RPNI. Forsterkningsfaktoren for hver test kan ses i kolonnen til høyre. Merk: for rotter 10-12 var CNAP proksimal til MC-RPNI ikke i stand til å måles gitt anatomiske begrensninger som følge av å fremstille MC-RPNI for nær CP-nervens start fra isjiasnerven. Den gjennomsnittlige registrerte CNAP-amplituden var 119,47 μV ± 14,87 μV, mens den gjennomsnittlige CMAP-amplituden var 3,28 mV ± 0,49 mV, noe som ga en gjennomsnittlig forsterkningsfaktor på 31,8 ± 7,70.

Rotte-ID Maksimal Twitch (mN) V Maksimal tetany (mN) V Hz Lo (mm)
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

Tabell 2: Muskelkraftanalyse av rotter med implanterte MC-RPNIer. Muskelkrafttesting ble utført på ipsilateral extensor digitorum longus (EDL) muskel for å avgjøre om MC-RPNI hadde noen innvirkning på distalt innervert muskelfunksjon. Etter proksimal CP-nervestimulering ble det registrert kraftsporinger og aktiv kraft ble beregnet relevant for testen av interesse. Lo ble definert som den optimale muskelhvilelengden som ga maksimal kraft. Gjennomsnittlig maksimal rykningskraft registrert fra rotter med implanterte MC-RPNIer var 722,0 mN ± 32,11 mN og gjennomsnittlig maksimal tetanisk kraft registrert var 2451 mN ± 115 mN, tilsvarende verdier oppnådd fra kontrolldyr (maksimal rykning: 822,2 mN ± 41,11 mN; maksimal tetany: 2497 mN ± 122 mN).

Video 1: MC-RPNI sammentrekning etter proksimal nerve elektrisk stimulering. Etter proksimal nervestimulering gitt av krokelektroden til høyre, kan synlig muskelkontraksjon av MC-RPNI ses i midten. Vennligst klikk her for å laste ned denne videoen.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

MC-RPNI er en ny konstruksjon som muliggjør forsterkning av en intakt, perifer motornerves efferente handlingspotensialer for å nøyaktig kontrollere en eksoskjelettanordning. Spesielt gir MC-RPNI en spesiell fordel for de individer med ekstremitetssvakhet forårsaket av betydelig muskelsykdom og / eller fravær av muskel der EMG-signaler ikke kan registreres. Å redusere allerede kompromittert muskelfunksjon ville være ødeleggende i denne populasjonen; MC-RPNI har imidlertid evnen til å gi denne nervesignalforsterkningen uten skade for distalt innervert muskel52 (tabell 1 og tabell 2). I de individer med muskelbasert eller lavere motor neuron sykdom, perifere sensoriske nerver er vanligvis upåvirket av sykdommen prosessen53. Når sensasjonen bevares, er det viktig å holde nerven i kontinuitet og unngå skade, og MC-RPNI ser ut til å unngå skade for distalt innerverte mål som helhet basert på histologi (figur 3), immunhistokjemi (figur 4) og evaluering av muskelfunksjon (tabell 2).

MC-RPNI er avhengig av begrepet kollateral aksonal spiring av den inneholdte perifere nerven, et konsept som lett demonstreres både i tidligere forskning52 og også i den godt beskrevne kirurgiske teknikken til end-to-side neurorrhaphy54,55. For å sikre tilstrekkelig reinnervasjon av muskeltransplantatet under MC-RPNI-fabrikasjon og unngå negativ innvirkning på distalt innerverte mål, er grundig håndtering av nerven avgjørende. Under disseksjon av nerven kan traumer unngås gjennom kortfattet håndtering av enten epineurium eller bindevev. Imidlertid er potensialet for nerveskade i MC-RPNI-fabrikasjon det høyeste under epineurialvinduet trinn. For å unngå skarp transeksjon av nervefibre, anbefales det å utføre dette trinnet bare under et kraftig kirurgisk mikroskop (minst 5x) etter flere muligheter for praksis på ikke-eksperimentelle rotter. Dette trinnet kan ta flere forsøk på å mestre, og det anbefales ikke å først utføre dette trinnet på rotter beregnet for eksperimentell analyse. Teoretisk sett er neurom-i-kontinuitet en komplikasjon som kan oppstå etter MC-RPNI-fabrikasjon, spesielt i nærvær av signifikant nervetrauma. Denne komplikasjonen har imidlertid ikke blitt oppdaget i løpet av de mange årene i utviklingen.

De fleste eksperimenter utført med MC-RPNI har blitt utført på den vanlige peroneale nerven gitt sin relative enkel tilgang samt evaluering av distalt innerverte mål. Teoretisk sett kan enhver perifer nerve med en motorkomponent erstattes. Rene sensoriske aksoner kan brukes som muskelvev har sensoriske komponenter (spindelfibre, Golgi seneorganer, etc.), men disse forsøkene har ikke blitt utført så langt, og resultatene er vanskelige å forutsi. For muskeltransplantatkomponenten i MC-RPNI varierer transplantater fra 20-150 mg avhengig av transplantatlengde og alder av rotten, og enhver lignende størrelse muskeltransplantat kan med hell utnyttes. Muskeltransplantatregenerering er delvis avhengig av evnen til å revaskularisere, og store / tykke transplantater er mer sannsynlig å gjennomgå nekrose og fibrose, noe som påvirker den generelle signalevnen56. Forskning utført spesielt på RPNI har indikert vellykket muskelregenerering og vedlikehold av signalforsterkning i transplantater opp til 300 mg56. Når det gjelder rotterase, anbefales Lewis og Fischer, da de fleste andre rotter som brukes til eksperimentelle formål er kjent for å selvlemleste sekundært til nerveskade57,58.

Samlet sett har nåværende erfaringer med MC-RPNI-fabrikasjon gitt en feilrate på <5%. De vanligste konstruksjonsfeilene som er sett, tilskrives vanligvis muskelgraftsegmentet, hvorpå de på eksponeringen er kjent for å være enten atrofiske eller løsnet fra nerven. Dislodged MC-RPNIs skyldes vanligvis utilstrekkelig suturering på fremstillingstidspunktet, noe som fører til "åpning" av den omkretsinnpakkede muskeltransplantaten og til slutt delvis ekstrudering av den inneholdte nerven. Imidlertid beholder disse MC-RPNIene vanligvis en viss grad (om enn redusert) av signalforsterkningsevner, da en del av transplantatet fortsatt er sikret til nerven. Atrofiske MC-RPNIer er åpenbare ved eksponering, da de mangler det typiske skjelettmuskelutseendet, ofte ikke skiller seg fra arrvev med lys rosa til grå / hvit farge (figur 2C). Atrofi av muskelvevet kan skyldes mange faktorer, inkludert infeksjon, for stor / tykk av en muskeltransplantasjon, akutt blodtapsanemi, muskel- og / eller nerveskade under fabrikasjon, samt svikt i epineuriale sikringssuturer som forårsaker stempeling av transplantatet på nerven, reduserer revaskularisering. Ved elektrofysiologisk testing produserer atrofiske MC-RPNIer vanligvis liten eller ingen signalforsterkning; Hvis du bruker høysensitive elektroder, kan opptak av den underliggende nervens CNAP registreres gjennom den atrofiske muskelen. Hvis signifikant atrofi er notert hos flere eksperimentelle, må man gå tilbake til protokollen og bestemme hvilke trinn som krever justering. Selvfølgelig, hvis ingen signaler registreres når du utfører evalueringer, er det viktig å feilsøke og ikke anta at konstruksjonen er en feil. Feilsøking av enhetsoppsettet er avgjørende, da mangel på signaler kan være sekundært til skadede elektroder (anbefaler impedans <16 Ω), feil elektrodekonfigurasjon eller til og med utilstrekkelig proksimal nervestimulering (noen nerver krever 0,5-5 mA elektrisk stimulering for å begynne å produsere CMAP-er nedstrøms MC-RPNI).

Nåværende metoder for menneske-maskin-grensesnitt for eksoskjelettbruk hos de med ekstremitetssvakhet er vanligvis avhengige av opptak hentet fra enten perifere nerver eller EMG fra muskelvev. Som diskutert tidligere, gir MC-RPNI betydelig fordel med hensyn til eksoskjelettkontroll for de individer med alvorlig skadet eller fraværende muskelvev der EMG-opptak ikke er mulig29. MC-RPNI gir også en fordel i forhold til dagens perifere nervegrensesnittalternativer, inkludert ekstraneurale elektroder 30,31,32,33, intrafascikulære elektroder 34,35,36 og penetrerende elektroder37,38,39,40 . Siden iboende nervesignaler ofte er på mikrovoltnivå, har MC-RPNI muligheten til å forsterke disse nervesignalene over 30 ganger, noe som letter nøyaktig deteksjon av motorisk hensikt fra bakgrunnsstøy og dermed muliggjør pålitelig eksoskjelettkontroll. Med kronisk bruk sliter nåværende elektrodebaserte metoder til slutt med å overvinne komplikasjoner som er forbundet med materiell levetid in vivo og fremmedlegemereaksjon, komplikasjoner MC-RPNI er i stand til å unngå gitt sin biologiske opprinnelse. Over tid resulterer disse fremmedlegemereaksjonene i vevskader, arrvevdannelse og eventuell aksonal demyelinisering og degenerasjon. Eksperimenter utført opptil seks måneder har ikke vist tegn på nevronskade, arr eller fibrose / degenerasjon av distalt innervert muskelvev (figur 3), og i kombinasjon med RPNI-stabilitet notert hos mennesker over en tre års observasjonsperiode47, er det rimelig å konkludere med at MC-RPNIer med hell kunne grensesnitt med perifere nerver på skalaen fra år til tiår.

MC-RPNI er ment å brukes til eksoskjelettkontroll i en rekke patologier, inkludert de som oppstår på nivået av nervesystemet, så vel som selve muskelen. For eksempel kan muskelbaserte patologier inkludere forhold som spenner fra traumer, muskeldystrofi, inflammatoriske myopatier og myasthenia gravis. Til tross for den dype muskelskaden og svakheten som kan resultere i disse forholdene 1,2,3, har flertallet fungerende lavere motorneuroner som vil lette MC-RPNI-reinnervasjon og påvisning av motorisk hensikt. For de tilstandene som resulterer i utbredt muskelsykdom (muskeldystrofi, etc.), er det absolutt mulig at den frie muskeltransplantatkomponenten kan påvirkes, og dermed begrense forsterkningspotensialet. Men gitt at deteksjon av selv en enkelt motorenhet (10-400 μV)59 kan gi forsterkning av perifere nervesignaler, er det rimelig å anta at MC-RPNI vil inneholde nok motorenheter innenfor sitt mindre, definerte område for å lette eksoskjelettkontroll i denne populasjonen. En signifikant begrensning av konstruksjonen er imidlertid i de patologiene som resulterer i signifikant reduserte øvre og / eller nedre motorneuroner, som ved hjerneslag, ryggmargsskade, spinal muskelatrofi (SMA) og amyotrofisk lateral sklerose (ALS). Uten en egnet perifer nervefiberpopulasjon for å reinnervate MC-RPNI, kan den ikke regenerere og gi signalforsterkning, noe som fører til konstruksjonsfeil. Eksperimenter utføres for å bestemme minimumspopulasjonen av funksjonelle perifere nervefibre som kreves for tilstrekkelig MC-RPNI-funksjon.

MC-RPNIs forgjenger, RPNI, har vist umåtelig suksess med nøyaktig kontroll av drevet protetikk hos mennesker gjennom forsterkning og opptak av signaler generert fra transekterte perifere nerver. Spesielt er det i stand til å gjøre det på skalaen fra måneder til år uten reoperasjon eller rekalibrering av protesen. Vanlige klager med dagens metoder for menneske-maskin-grensesnitt for eksoskjelettkontrollsenter på signalforurensning fra kryssprat og behovet for hyppig rekalibrering i EMG-avhengige metoder26,27,28 og perifer nervegrensesnittinstabilitet over tid som nødvendiggjør sekundære operasjoner37,39,44 . MC-RPNI er imidlertid i stand til å unngå disse komplikasjonene gitt sin biologiske sminke samt strategiske plasseringsevner. Det er viktig å etablere en grundig forståelse av denne konstruksjonen for å bane vei for bruk hos mennesker og eventuell utbredt bruk av nøyaktige, pålitelige eksoskjelettinnretninger hos de som lever med ekstremitetssvakhet.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

Forfatterne har ingen avsløringer.

Acknowledgments

Forfatterne takker Jana Moon for hennes ekspertlaboratorieledelse og teknisk assistanse og Charles Hwang for hans bildekompetanse. Eksperimenter i dette papiret ble delvis finansiert gjennom Plastic Surgery Foundation tilskudd til SS (3135146.4) samt National Institute of Child Health and Human Development under tildelingsnummer 1F32HD100286-01 til SS, og National Institute of leddgikt og muskel- og hudsykdommer i National Institutes of Health under tildelingsnummer P30 AR069620.

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

DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

  1. Andersson, G. S. The burden of musculoskeletal diseases in the United States : prevalence, societal, and economic cost. American Academy of Orthopaedic Surgeons. , Rosemont, IL. (1942).
  2. Yelin, E. H., Weinstein, S., King, T. The burden of musculoskeletal diseases in the United States. Seminars in Arthritis and Rheumatism. 46 (3), 259-260 (2016).
  3. McDonald, C. M. Clinical Approach to the Diagnostic Evaluation of Hereditary and Acquired Neuromuscular Diseases. Physical Medicine and Rehabilitation Clinics of North America. 23 (3), 495-563 (2021).
  4. Sass, F. A., et al. Immunology Guides Skeletal Muscle Regeneration. International Journal of Molecular Sciences. 19 (3), 835 (2018).
  5. Bruggeman, K. F., et al. Harnessing stem cells and biomaterials to promote neural repair. British Journal of Pharmacology. 176 (3), 355-368 (2019).
  6. Vijayavenkataraman, S. Nerve guide conduits for peripheral nerve injury repair: A review on design, materials and fabrication methods. Acta Biomaterialia. 106, 54-69 (2020).
  7. O'Dell, M. W., Lin, C. C., Harrison, V. Stroke rehabilitation: strategies to enhance motor recovery. Annual Review of Medicine. 60, 55-68 (2009).
  8. Ambrosini, E., et al. The combined action of a passive exoskeleton and an EMG-controlled neuroprosthesis for upper limb stroke rehabilitation: First results of the RETRAINER project. International Conference on Rehabilitation Robotics (ICORR). , 56-61 (2017).
  9. Veerbeek, J. M., et al. Effects of robot-assisted therapy for the upper limb after stroke. Neurorehabilitation & Neural Repair. 31 (2), 107-121 (2017).
  10. Heo, P., et al. Current hand exoskeleton technologies for rehabilitation and assistive engineering. Journal of Precision Engineering and Manufacturing. 13 (5), 807-824 (2012).
  11. Kwakkel, G., Kollen, B. J., Krebs, H. I. Effects of robot-assisted therapy on upper limb recovery after stroke: A systematic review. Neurorehabilitation & Neural Repair. 22 (2), 111-121 (2007).
  12. Brewer, B. R., McDowell, S. K., Worthen-Chaudhari, L. C. Poststroke Upper Extremity Rehabilitation: A Review of Robotic Systems and Clinical Results. Topics in Stroke Rehabilitation. 14 (6), 22-44 (2007).
  13. Kalita, B., Narayan, J., Dwivedy, S. K. Development of active lower limb robotic-based orthosis and exoskeleton devices: A systematic review. International Journal of Social Robotics. 13, 775-793 (2021).
  14. Bosch, T., et al. The effects of a passive exoskeleton on muscle activity, discomfort and endurance time in forward bending work. Applied Ergonomics. 54, 212-217 (2016).
  15. Secciani, N., et al. A novel application of a surface ElectroMyoGraphy-based control strategy for a hand exoskeleton system: A single-case study. International Journal of Advanced Robotic Systems. 16 (1), 1729881419828197 (2019).
  16. Bützer, T., et al. PEXO - A pediatric whole hand exoskeleton for grasping assistance in task-oriented training. IEEE 16th International Conference on Rehabilitation Robotics (ICORR). , 108-114 (2019).
  17. Meeker, C., et al. EMG pattern classification to control a hand orthosis for functional grasp assistance after stroke. IEEE International Conference on Rehabilitation Robotics (ICORR). , 1203-1210 (2017).
  18. Witkowski, M., et al. Enhancing brain-machine interface (BMI) control of a hand exoskeleton using electrooculography (EOG). Journal of NeuroEngineering and Rehabilitation. 11 (1), 165 (2014).
  19. Cantillo-Negrete, J., et al. Motor imagery-based brain-computer interface coupled to a robotic hand orthosis aimed for neurorehabilitation of stroke patients. Journal of Healthcare Engineering. 2018, 1624637 (2018).
  20. Bhagat, N. A., et al. Design and optimization of an EEG-based brain machine interface (BMI) to an upper-limb exoskeleton for stroke survivors. Frontiers in Neuroscience. 10, 122 (2016).
  21. Habibzadeh Tonekabony Shad, E., Molinas, M., Ytterdal, T. Impedance and noise of passive and active dry EEG electrodes: A review. IEEE Sensors Journal. 20 (24), 14565-14577 (2020).
  22. Tariq, M., Trivailo, P. M., Simic, M. EEG-based BCI control schemes for lower-limb assistive-robots. Frontiers in Human Neuroscience. 12, 312-312 (2018).
  23. Gwin, J. T., Ferris, D. High-density EEG and independent component analysis mixture models distinguish knee contractions from ankle contractions. Annual International Conference of the IEEE Engineering in Medicine and Biology Society. 2011, 4195-4198 (2011).
  24. Tariq, M., Trivailo, P. M., Simic, M. Classification of left and right foot kinaesthetic motor imagery using common spatial pattern. Biomedical Physics & Engineering Express. 6 (1), 015008 (2019).
  25. Ryser, F., et al. Fully embedded myoelectric control for a wearable robotic hand orthosis. iInternational Conference on Rehabilitation Robotics (ICORR). , 615-621 (2017).
  26. Reeves, J., Starbuck, C., Nester, C. EMG gait data from indwelling electrodes is attenuated over time and changes independent of any experimental effect. Journal of Electromyography and Kinesiology. 54, 102461 (2020).
  27. Huang, J., et al. Control of upper-limb power-assist exoskeleton using a human-robot interface based on motion intention recognition. IEEE Transactions on Automation Science and Engineering. 12 (4), 1257-1270 (2015).
  28. Rodrigues, C., et al. Comparison of intramuscular and surface electromyography recordings towards the control of wearable robots for incomplete spinal cord injury rehabilitation. 2020 8th IEEE RAS/EMBS International Conference for Biomedical Robotics and Biomechatronics (BioRob). , 564-569 (2020).
  29. Rasool, G., et al. Spatial analysis of multichannel surface EMG in hemiplegic stroke. IEEE Transactions on Neural Systems and Rehabilitation Engineering : A Publication of the IEEE Engineering in Medicine and Biology Society. 25 (10), 1802-1811 (2017).
  30. Stieglitz, T., et al. Non-invasive 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).
  31. Polasek, K. H., et al. 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).
  32. Kenney, L., et al. An implantable two channel drop foot stimulator: initial clinical results. Artificial Organs. 26 (3), 267-270 (2002).
  33. Ortiz-Catalan, M., et al. Patterned stimulation of peripheral nerves produces natural sensations with regards to location but not quality. IEEE Transactions on Medical Robotics and Bionics. 1 (3), 199-203 (2019).
  34. Boretius, T., et al. A transverse intrafascicular multichannel electrode (TIME) to interface with the peripheral nerve. Biosensors and Bioelectronics. 26 (1), 62-69 (2010).
  35. Petrini, F. M., et al. Six-month assessment of a hand prosthesis with intraneural tactile feedback. Annals of Neurology. 8 (1), 137-154 (2019).
  36. Jung, R., et al. Bionic intrafascicular interfaces for recording and stimulating peripheral nerve fibers. Bioelectronics in Medicine. 1 (1), 55-69 (2017).
  37. Christensen, M. B., et al. The foreign body response to the Utah Slant Electrode Array in the cat sciatic nerve. Acta Biomaterialia. 10 (11), 4650-4660 (2014).
  38. 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), (2019).
  39. George, J. A., et al. Long-term performance of Utah slanted electrode arrays and intramuscular electromyographic leads implanted chronically in human arm nerves and muscles. Journal of Neural Engineering. 17 (5), 056042 (2020).
  40. Wendelken, S., et al. Restoration of motor control and proprioceptive and cutaneous sensation in humans with prior upper-limb amputation via multiple Utah Slanted Electrode Arrays (USEAs) implanted in residual peripheral arm nerves. Journal of NeuroEngineering and Rehabilitation. 14 (1), 121 (2017).
  41. Yang, Z., et al. Noise characterization, modeling, and reduction for in vivo neural recording. Proceedings of the 23rd Annual Conference on Neural Information Processing Systems (NIPS 09). , 2160-2168 (2009).
  42. Ursu, D. C., et al. In vivo characterization of regenerative peripheral nerve interface function. Journal of Neural Engineering. 13 (2), 026012 (2016).
  43. Lotti, F., et al. Invasive intraneural interfaces: Foreign body reaction issues. Frontiers in Neuroscience. 11, 497-497 (2017).
  44. Stiller, A. M., et al. A meta-analysis of intracortical device stiffness and its correlation with histological outcomes. Micromachines. 9 (9), 443 (2018).
  45. Kung, T. A., et al. Regenerative peripheral nerve interface viability and signal transduction with an implanted electrode. Plastic and Reconstructive Surgery. 133 (6), 1380-1394 (2014).
  46. Kubiak, C. A., Kemp, S. W. P., Cederna, P. S. Regenerative peripheral nerve interface for management of postamputation neuroma. JAMA Surgery. 153 (7), 681-682 (2018).
  47. Vu, P. P., et al. A regenerative peripheral nerve interface allows real-time control of an artificial hand in upper limb amputees. Science Translational Medicine. 12 (533), (2020).
  48. Svientek, S. R., et al. Fabrication of the composite regenerative peripheral nerve interface (C-RPNI) in the adult rat. Journal of Visualized Experiments: JoVE. (156), e60841 (2020).
  49. Ursu, D., et al. Adjacent regenerative peripheral nerve interfaces produce phase-antagonist signals during voluntary walking in rats. Journal of NeuroEngineering and Rehabilitation. 14 (1), 33 (2017).
  50. Vu, P. P., et al. Closed-loop continuous hand control via chronic recording of regenerative peripheral nerve interfaces. IEEE Transactions on Neural Systems and Rehabilitation Engineering. 26 (2), 515-526 (2018).
  51. Urbanchek, M. G., et al. Development of a Regenerative Peripheral Nerve Interface for Control of a Neuroprosthetic Limb. BioMed Research International. 2016, 5726730 (2016).
  52. Kubiak, C. A., et al. Physiologic signaling and viability of the Muscle Cuff Regenerative Peripheral Nerve Interface (MC-RPNI) for intact peripheral nerves. Journal of Neural Engineering. 18 (4), (2021).
  53. Rocha, J. A., et al. Diagnostic investigation and multidisciplinary management in motor neuron disease. Journal of Neurology. 252 (12), 1435-1447 (2005).
  54. Haastert, K., et al. Nerve repair by end-to-side nerve coaptation: histologic and morphometric evaluation of axonal origin in a rat sciatic nerve model. Neurosurgery. 66 (3), 567-576 (2010).
  55. Hayashi, A., et al. Collateral sprouting occurs following end-to-side neurorrhaphy. Plastic and Reconstructive Surgery. 114 (1), 129-137 (2004).
  56. Hu, Y., et al. Regenerative peripheral nerve interface free muscle graft mass and function. Muscle & Nerve. 63 (3), 421-429 (2021).
  57. Carr, M. M., et al. Strain differences in autotomy in rats undergoing sciatic nerve transection or repair. Annals of Plastic Surgery. 28 (6), 538-544 (1992).
  58. Sporel-Özakat, R. E., et al. A simple method for reducing autotomy in rats after peripheral nerve lesions. Journal of Neuroscience Methods. 36 (2), 263-265 (1991).
  59. Lemon, R. N., Mantel, G. W. H., Rea, P. A. Recording and identification of single motor units in the free-to-move primate hand. Experimental Brain Research. 81 (1), (1990).

Tags

Bioengineering perifer nerve muskel mansjett exoskeleton MC-RPNI menneske-maskin grensesnitt nevromuskulært grensesnitt
Muskelmansjettens regenerative perifere nervegrensesnitt for forsterkning av intakte perifere nervesignaler
Play Video
PDF DOI DOWNLOAD MATERIALS LIST

Cite this Article

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).

Less
Copy Citation Download Citation Reprints and Permissions
View Video

Get cutting-edge science videos from JoVE sent straight to your inbox every month.

Waiting X
Simple Hit Counter