Minipiglerde Subdural Yumuşak Elektrokortikografi (ECoG) Dizisi İmplantasyonu ve Uzun Süreli Kortikal Kayıt
March 31st, 2023
Burada, bir minipig modelinde yumuşak subdural elektrot dizilerinin uzun süreli performans ve güvenlik değerlendirmesi için cerrahi yöntem ve araçları, postoperatif manyetik rezonans görüntülemeyi, işitsel korteksin elektrofizyolojisini, implantın elektrokimyasal özelliklerini ve postmortem immünokimyayı açıklayan bir yöntem sunuyoruz.
Bu model, biyouyumluluk, çözünürlük ve sinyal kalitesi açısından kronik kortikal cihazlar için güvenlik ve etkinlik doğrulaması için bir standart haline gelebilir. Prosedürümüz, cihaz güvenliği ve etkinliğinin uzun süreli takibini gerçekleştirmek için tekrarlanabilir ve ölçeklenebilir bir yöntemi açıklamaktadır. Bu, zaman içinde nöral izlemenin yanı sıra in vivo ve ex vivo görüntülemeyi de içerir.
Yöntemimiz duyusal ve motor kortikal nöroprotezin geliştirilmesine yardımcı olacaktır. Büyük ölçekli kortikal ağ aktivitesini anlamak için bir araçtır. Bu yöntem, farklı kortikal alanlar üzerindeki fonksiyonel bağlantıyı araştırmak için temel sinirbilimde kullanılabilir.
Diğer büyük hayvan modellerine de uygulanabilir. Cerrahi yaklaşım, önce kadavralar veya akut deneyler üzerinde edinilebilecek bazı uygulamalara ihtiyaç duyar. Ölçümler daha sonra oldukça basit olmalıdır.
Başlamak için, anestezi uygulanan hayvanın derisini orta hat boyunca bir neşter bıçağıyla kesin. Optimum erişim için bir raspatory kullanarak kas ve periosteuumu kemikten ayırın ve yayıcıları yerleştirin. Kraniyotomiyi gerçekleştirmek için, X-ışınında ölçülen kafatasının kalınlığını dikkate alarak, yuvarlak bir kesme ucuna sahip bir kemik matkabı kullanarak taslağı delin.
Kemiğin aşırı ısınmasını önlemek için delme yerini tuzlu su çözeltisiyle sulayın. Anahattı dura mater'e ulaşana kadar homojen bir şekilde dikkatlice delin. İlk atılımda, neredeyse kırılacak kadar inceltilene kadar anahattı delmeyi bitirin.
Ardından, kraniyotomi kenarını kaldıraç olarak kullanarak kemik flebini tek parça halinde kırmak için düz bir spatula kullanın. Durotomi yapmak için, altı oh dikiş kitinden iğneyi kullanarak, dura mater'i kraniyotominin ön veya arka ucunda, medial ve lateral tarafın ortasında dikkatlice delin ve kaldırın ve bıçak bıçağıyla bir kesi başlangıcı oluşturun. Daha sonra, korteksi korumak için bir kesme tabanı görevi görerek subdural boşluğa yerleştirilmiş küçük bir düz spatula kullanın.
Her iki aletle aynı anda ilerleyerek dura materde bir ön-arka yarık oluşturun. Yarığın implantın genişliğinden biraz daha büyük olduğundan emin olun. İmplantı dura mater yarığın üzerine yerleştirin ve küçük forsepslerle, cihazı her bir kenardan sırayla kaydırarak subdural olarak yerleştirin.
Cihazın kaide ucunu dikkatlice tutun ve yerleştirmeyi engelleyen gerginlik oluşturmamak için implantla ilerleyin. Konektör kenarı yarığın üstüne yerleştirildiğinde yerleştirmeyi durdurun. İmplantı yerine sabitlemek için, kraniyotominin kenarından sonra veya ankraj kanatlarından sonra kablonun üzerine bir titanyum köprü yerleştirin ve uygun tornavidayı kullanarak bir veya iki titanyum vidayla sabitleyin.
Ardından, dura mater'i implant kablosunun etrafına dikkatlice dikin. Üç oh emilebilir sütür ve küçük bir iğne tutucu kullanarak, dikiş teli ile ince zarı yırtmadan iki dura mater kenarını mümkün olduğunca bir araya getirin. Kemik flebi yerleşimini gerçekleştirmek için, bir titanyum vida kullanarak her kemik flebinin ön ve arka kısmına bir titanyum köprü sabitleyin.
Titanyum köprülerin ucunu kafatasına vidalayın. Ardından, tüm bacakların kafatasına vidalanabilmesini sağlamak için ayak plakasının yönünü planlayın. Ardından, taban plakasının titanyum vidalarını sıkıca yerine oturana kadar vidalayarak ayak plakasını sabitleyin.
Ardından kaideyi ayak plakasına vidalayın. Üç milimetre aralıklı dikişlere sahip dört oh emilemeyen sütür teli ile deri altı sütürler oluşturun. Kesiden uzaklaşın, insizyonun her iki tarafında ona doğru hareket edin.
Daha sonra, altı oh emilemeyen bir dikiş teli kullanarak cildi dikerek dermal tabakayı kapatın. Beş milimetre aralıklarla dikişlerle. Kesiden uzaklaşın, insizyonun her iki tarafında ona doğru hareket edin.
Boşluğu önlemek için iki cilt kanadı arasında ve kaide kenarına yakın iyi bir doku yerleşimi elde etmeye özen gösterin. Hayvanı tutarak veya ikramlarla besleyerek dikkatini dağıtarak elde edilen kablosuz kafa aşamasını hayvana taktıktan sonra, uyanık beyin sinyallerini kaydedin. Sinyalleri kaydederken amplifikatör antenini ve harici hoparlörleri domuzun kafesine yakın yerleştirdiğinizden emin olun.
800 hertz tonlu bir patlama stimülasyonuna yanıt olarak ses uyaranları ve işitsel uyarılmış potansiyeller olmadan temel aktivite, elektrot dizisi üzerinde eşlenebilir. Tek bir elektrot kanalındaki işitsel uyarılmış potansiyel, zaman içinde "yanıtı" işaretleyen oklarla gösterilir ve temel aktivite bir karşılaştırma olarak gösterilir. İn vivo görüntüleme, beyin durumunu ve implant pozisyonunu değerlendirmek için intraoperatif ve postoperatif olarak yapıldı.
İntraoperatif düzlem röntgeni implant yerleşimini doğruladı ve radyoopak işaretleyici yerleşiminde gözlemlendiği gibi katlanma yok. Ameliyat sonrası MRG'de görülebileceği gibi beynin yüzeyi sağlamdır. Genel olarak, bu implant ve kaide sistemi ile, implantasyon süresi boyunca anatomik yapıları veya implant çevresindeki sıvı ve kan varlığını görmek için tüm beyin görüntülemesi mümkündür.
Ek olarak, klinik elektrotlar bu çalışmada karşılaştırıcı olarak kullanılmıştır, ancak ısıtma ve güvenlik endişeleri nedeniyle MRG'de görüntülenemez ve BT taramaları gerektirir. Sunulan boru hattı, tüm beyin ekstraksiyonunu ve tüm yarım küreleri görüntülemek için kesit almayı sağlar. Tüm doku kesitinin görüntülenmesi net bir nöron tabakası gösterdi.
Hücreler 20x'te konfokal görüntülemede açıkça tanımlanır ve inflamatuar belirteçlerin hassas bir şekilde araştırılmasını sağlar. Cihazların elektrokimyasal karakterizasyonu, altı aylık implantasyon sırasında zaman içinde bir kilohertz'de izlenen empedans modülünü ve in vitro fazı çıkarmak için kullanıldı. Ameliyat sırasında sinüslerin açılmasını önlemek için hayvanın yaşını ve boyutunu dikkatlice seçmek çok önemlidir.
Bu, kronik deneyi tehlikeye atacaktır. Dura mater'e erişirken veya implantları yerleştirirken kanamayı önlemek önemlidir. Bu, daha fazla komplikasyon ve enflamatuar yanıtı önleyecektir.
Bu model yerleştirildikten sonra, mini domuzlarda serbestçe hareket eden elektrofizyoloji gerçekleştirmek ve kortikal ilgi alanlarından aktiviteyi kaydetmek için kullanılabilir. Bu yöntem, insanlara çevrilecek yeni nöroprotezler geliştirilirken bir klinik araştırmanın sunulması için biyogüvenlik verilerinin toplanmasında uygulanabilir.
Genel Bakış
Bu çalışma, minipig modelinde yumuşak subdural elektrot dizilerinin uzun vadeli performansı ve güvenliğini değerlendirmek için bir yöntem sunmaktadır. Cerrahi yaklaşımı, ameliyat sonrası görüntülemeyi ve implantın elektrofizyolojik ve elektrokimyasal değerlendirmesini detaylandırmaktadır.
Çalışmanın Ana Bileşenleri
Bilim Alanı
- Sinirbilim
- Biyomedikal Mühendisliği
- Elektrofizyoloji
Arka Plan
- Sinirbilim araştırmalarında kronik korteks cihazlarına olan ihtiyaç.
- İmplantlarda biyokompatibilite ve sinyal kalitesinin önemi.
- Nöral cihazların uzun süreli izlenmesinde karşılaşılan zorluklar.
- Cihaz testi için büyük hayvan modellerinin kullanımı.
Çalışmanın Amacı
- Korteks cihazlarının uzun vadeli güvenlik ve etkinlik değerlendirmesi için tekrarlanabilir bir yöntem oluşturmak.
- Zaman içinde sinirsel izleme ve görüntülemeyi kolaylaştırmak.
- Duyusal ve motor fonksiyonlar için nöroprotez gelişimine katkıda bulunmak.
Kullanılan Yöntemler
- Minipig'lere yumuşak subdural elektrot dizilerinin cerrahi olarak implantasyonu.
- İmplant değerlendirmesi için ameliyat sonrası manyetik rezonans görüntüleme (MRG).
- İşitsel korteks aktivitesinin elektrofizyolojik kayıtları.
- Zaman içinde implantların elektrokimyasal karakterizasyonu.
Ana Bulgular
- Zaman içinde beyin sinyallerinin başarılı implantasyonu ve izlenmesi.
- In vivo görüntüleme, implantın uygun yerleşimini ve beyin bütünlüğünü doğruladı.
- Cihazların elektrokimyasal özellikleri altı ay boyunca stabil kaldı.
- Görüntüleme yoluyla nöronal katmanların ve inflamatuar belirleyicilerin net bir şekilde tanımlanması.
Sonuçlar
- Bu yöntem, kronik korteks cihazlarını değerlendirmek için sağlam bir çerçeve sağlar.
- Geniş ölçekli korteks ağ etkinliği hakkındaki anlamayı geliştirir.
- Yaklaşım, diğer büyük hayvan modelleri için uyarlanabilir.
Sıkça Sorulan Sorular
Executive Industry Relevance
Long-term cortical recording in minipigs using soft subdural ECoG arrays addresses a critical translational gap for neuroprosthetic device validation. This model enables robust preclinical assessment of device safety, biocompatibility, and signal fidelity, supporting predictive confidence for human application. The approach strengthens portfolio decision-making at the interface of device discovery and regulatory advancement.
Strategic Applications in Biopharma R&D
Early Discovery & Target Validation
- Enables functional interrogation of cortical network activity in a large animal model.
- Supports biological de-risking for novel neuroprosthetic designs prior to clinical translation.
- Provides quantitative benchmarks for device-induced neural responses and tissue integration.
Screening & Assay Development
- Facilitates standardized, reproducible electrophysiological recordings over extended periods.
- Delivers high-resolution, quantitative readouts for device performance and safety metrics.
- Prepares validated animal models for downstream device screening and comparative studies.
Translational & Preclinical Research
- Aligns preclinical safety and efficacy data with regulatory expectations for human neuroprosthetic trials.
- Enables longitudinal monitoring of device-tissue interactions and inflammatory responses.
- Supports risk-adjusted advancement of cortical device candidates toward clinical evaluation.
Pipeline & Workflow Integration
This method integrates into the preclinical validation continuum, bridging device discovery, functional screening, and translational safety assessment.
- Discovery Biology: Provides a platform for hypothesis-driven testing of device impact on cortical function and connectivity.
- Screening: Offers reproducible, quantitative electrophysiological and electrochemical outputs for device comparison.
- Analytics: Enables longitudinal impedance tracking and imaging-based tissue analysis to inform device optimization.
- Translational Research: Delivers biosafety and efficacy data required for regulatory submissions and clinical trial readiness.
- Enterprise Reuse: Establishes a scalable, adaptable model for diverse neuroprosthetic and cortical device pipelines.
Operational & Enterprise Impact
- Scientific Value: Increases predictive confidence in device safety, function, and integration.
- Operational Value: Standardizes chronic implantation and monitoring workflows for reproducibility and scalability.
- Strategic Value: Informs go/no-go decisions and reduces late-stage biological risk for device portfolios.
- Portfolio Impact: Enables risk-adjusted prioritization and advancement of neurotechnology assets.
Implementation Considerations
- Requires surgical expertise in large animal neurosurgery and chronic device implantation.
- Demands access to MRI, X-ray, and electrophysiological recording infrastructure.
- Necessitates cross-team standardization of surgical, imaging, and analytical protocols.
- Adaptable to other large animal models with procedural modifications as needed.
- Careful animal selection and perioperative management are critical to avoid confounding complications.
