الجراحية زرع الأقطاب الكهربائية العصبية المزمنة لتسجيل نشاط وحدة واحدة وإشارات Electrocorticographic
Summary
ونحن نقدم معلومات مفيدة للجراحين الذين يتعلمون عملية زرع الأقطاب الكهربائية المزمنة تسجيل العصبية. ويرد وصف تقنيات نظم القطب على حد سواء، واختراق السطح في قارض نموذج حيواني.
Abstract
نجاح على المدى الطويل التسجيلات الكهربية غالبا ما يعتمد على نوعية جراحة الزرع. هنا نقدم معلومات مفيدة للجراحين الذين يتعلمون عملية زرع أنظمة الكهربائي. علينا أن نبرهن على إجراء زرع اختراق على حد سواء، وقطب كهربائي السطح. وصفت عملية جراحية من البداية وحتى النهاية، بما في ذلك وصف مفصل لكل خطوة من الخطوات في جميع أنحاء الداخلي. وينبغي أن يلاحظ أيضا أن يركز هذا الدليل فيديو نحو الإجراءات التي أجريت في نماذج القوارض وغيرها من النماذج الحيوانية الصغيرة. إدخال تعديلات على الإجراءات المذكورة قابلة للتنفيذ لنماذج من الحيوانات الأخرى.
Protocol
1. قبل زرع الإجراءات (عام) حلق أعلى من رأس الحيوان من بين عينيه إلى ما وراء الأذنين. استخدام كليبرز الكهربائية الحلاق أن يحلق رأسه. فرك الرأس الأول مع ايزوبروبيل، ثم betadine (تكرار 3X). تطبيق مواد التشحيم العين. جبل الحيوان في الحانات الأذن التجسيمي. توجيه نصيحة ثابتة من شريط الأذن التجسيمي الحق في مجرى السمع من الأذن اليمنى للحيوان عن طريق تحريك جانبية ضد رئيس القناة. يجب توخي الحذر الشديد لضمان أن يتم وضع كل طرف بشكل صحيح الأذن شريط في الصماخ السمعي. المقبل، دفع خففت شريط الأذن اليسرى في القناة السمعية والضغط نحو الداخل طفيف. فهم أنف الحيوان وتهزهز ذهابا وإيابا بحزم. إذا هي التي شنت هذا الحيوان بشكل صحيح سوف يشعر رئيس يثبت بشدة. 2. قبل الزرع الجراحة (عام) مع زوج من مقص غرامة، وخفض 2 CIRC 1/2ليه من خط الوسط إلى الخارج، وإزالة جزء من فروة الرأس كشط وإزالة النسيج الضام سمحاق أن تتمسك العظام. وسوف كشط مع حافة حادة مثل الجزء الخلفي من شفرة مشرط أو غيض من مسحة القطن المعقم تقليل النزف لأنه سيتم سحق الشعيرات الدموية بدلا من قطع بسلاسة. السيطرة على النزيف العظام باستخدام شمع العظم أو الحديد الكي. تطهير وتنظيف سطح العظام باستخدام بيروكسيد الهيدروجين. تجفيف العظام لجعل الخيوط الجراحية في الجمجمة بشكل أكثر وضوحا وضوحا. وتجدر الإشارة إلى أن Bregma ونقاط لامدا واستخدامها لمستوى الرأس. وينبغي قياس موقع لحج القحف وزرع قطب كهربائي فيما يتعلق Bregma ويمكن أن تكون علامة مؤقتا مع القلم أو عن طريق حفر بسطحية إلى السطح. سيقوم موقع حج القحف تعتمد على أهداف تجريبية للدراسة (أي محرك، والتجارب الحسية) 1. حفر screwholes في العظام ووضعها على الأرض وتحقيق الاستقرار في قأطقم. دائما استخدام الفولاذ المقاوم للصدأ أو براغي التيتانيوم. صائغ صغير للبراغي (على سبيل المثال # 2-56، 00-80، أو #) مع العديد من المواضيع كما في البوصة وقت ممكن ومرغوب فيه. 3. إجراءات السيليكون الكهربائي زرع حفر حج القحف بعد زرع مسامير. حفر أربع علامات رائدة الضحلة لركن من أركان حج القحف. استخدام علامات طيار كدليل حفر خارج محيط حج القحف. إزالة كتلة من مركز العظام التي لم يتم حفرها باستخدام زوج من ملقط قوي. قد حافة حج القحف مفتوحة ويجب تنظيف مع حفر المزيد. ويمكن قص قطعة رقيقة من العظم مع زوج من microrongeurs. التخطيط لعملية جراحية بعناية لتجنب الأوعية الدموية الكبرى مثل الجيب السهمي، والتي قد تظهر في غضون 0.5 مم من خياطة في خط الوسط طولية 1. ويمكن ثقب الجيب السهمي تسبب نزيفا واسعة النطاق. يجب أن تبقى مكشوفة الجافية رطب مع aCSF أو المالحة. إلى اختراق الأم الجافيةوسوف تحتاج إلى نحو ربط صغيرة باستخدام إبرة الحقن المعقمة من عيار صغير (على سبيل المثال، <28 مقياس). اتخاذ شطبة من الإبرة واضغط عليه على سطح مستو ثابت (مثل جزء مسطح من مشرط) تميل قليلا لتشكيل منحنى 90 درجة في هذه النقطة. استخدام هذا ربط للقبض على سطح الجافية، ورفع ما يزيد من سطح الدماغ. ويمكن خفض الجافية باستخدام مقص الجزئي أو قد تكون ممزقة باستخدام الحركات الجانبية للربط الجافية. أن تحرص على تجنب الأوعية الدموية على سطح الدماغ عند استخدام الخطاف الجافية. يجب أن تلاحظ CSF تسرب عند مقطوعة الجافية واختلاف في اللون من سطح الجافية. تعلق بعناية السلك الأرض من القطب السيليكون حول قاعدة المسمار الأرض، وبراعة في مكان مع الاسمنت الأسنان. ينبغي أن توضع الأقطاب السيليكون بعناية بحيث يتم يتقوس يؤدي كابل كهربائي على حج القحف. سيتم وضع الغرسات باستخدام محرك خطي المحرك جيش التحرير الشعبى الصينىدائرة الهندسة المدنية في جهاز التجسيمي. لنعلق القطب إلى الجهاز الإدراج، يتم تسخين البولي ايثيلين جلايكول (PEG) مع حام الحديد وتطبيقها على قضيب الإدراج والقطب تسجيل. مع القطب تأمينها، وانخفاض يدويا غيض من القطب إلى موقع التجسيمي المطلوب على سطح الدماغ. باستخدام واجهة البرنامج إلى خطي المحرك، نقل الكهربائي في عمق المطلوب داخل أنسجة الدماغ. تأمين القطب تسجيل في الدماغ عن طريق ربط PEG من المسمار المجاورة لكابل كهربائي. يمكنك الآن إزالة القطب من الجهاز عن طريق إضافة إدخال المالحة حل PEG ملزمة. رفع الجهاز الإدراج بعيدا عن حج القحف، وكرر ذلك لكل قطب كهربائي. تغطية حج القحف يتعرض مع جلفوم غارقة في المياه المالحة. ثم يتم استخدام البوليمر والسيليكون لتغطية كابل كهربائي وحمايته من الاكريليك الأسنان. وضع الموصل في المباراة النهائيةموقع، ثم تطبيق الاكريليك الأسنان لإجراء مترسة الرأس قوية. 4. MicroECoG إجراءات زرع الكهربائي وزرع قطب كهربائي microECoG تنطوي على حج القحف أكبر قليلا. لجهاز × 5 مم 5، لا بد من إجراء 6 × 6 ملم حج القحف. قبل حفر حج القحف، يتم تطبيق الأشعة فوق البنفسجية للشفاء الاكريليك الأسنان إلى محيط موقع حج القحف في حين انها لا تزال جافة وليس في خطر من لمس الجافية أو الحنون. ويتم استخدام الحفر الجراحية المعقمة مع لدغ # 107 لحفر قبالة السطح من العظام في الشكل العام للحج القحف. ويمكن بعد ذلك أصغر # 106 لدغ أن تستخدم لحفر ما تبقى من العظام وصولا الى طبقة رقيقة شفافة. وسوف Rongeurs عندئذ تكون قادرة على رفع قبالة ما تبقى من قطعة عظم. يمكن زرعها في microECoG epidurally أو subdurally. مرة أخرى، والحفاظ على دورا جيدا المائية مع CSF مصطنعة أو المالحة. من أجل زرع microECoG، وضع ذراع التجسيمي خلال مكتب مستشار رئيس الوزراءن الجمجمة، وتأمين الكهربائي للذراع باستخدام الشريط عقيمة. ويمكن الآن القطب ان تخفض الى اسفل حج القحف. تأكد من المواقع الكهربائي وأسفل، وسيتم إجراء اتصالات مع الجافية أو سطح حنوني. إذا ما واصلت رطبة، وينبغي أن القطب تنزلق على النسيج، وسوف تبقى في مكانها. يتم توصيل سلك الأرض إلى الأرض عن طريق المسمار التفاف حول ما لا يقل عن ثلاث مرات فوق وتحت نفسها. لا يمكن للأرض أن يكون أي برغي برغي التي تتلامس مع الجافية. ويمكن أيضا أن السلك إشارة إلى أن تكون مرتبطة المسمار إشارة في نفس الطريقة. ينبغي وضع قطعة صغيرة من جلفوم غارقة المالحة المحيطة الكهربائي حيث هناك دورا أو الحنون عرضة للخطر. وينبغي أن كمية صغيرة من جلفوم غارقة في المياه المالحة تشمل أيضا الجزء العلوي من القطب رقيقة. ويمكن تطبيق الأشعة فوق البنفسجية للشفاء الاكريليك الأسنان لأعلى جلفوم، ويمكن استخدامها لخلق غطاء الرأس مستقر. يتم تطبيق الاكريليك مباشرة إلى coveri فيلم كابل رقيقةنانوغرام حتى يتم الوصول إلى الموصل. يجب الحرص على عدم لتغطية الجزء السفلي من وراء غطاء الموصل. بدلا من ذلك، يمكن للزرع في microECoG 4.3 تليها مباشرة غرس مجموعة microelectrode السيليكون (خطوات 3،2-3،6) من خلال الثقوب الصغيرة التي يتم تصنيعها في الركيزة microECoG. وهذا يسمح للتسجيل في وقت واحد من كل من وحدة واحدة في أعماق مختلفة جنبا إلى جنب مع ارتفاع التسجيلات حقل قرار من سطح الدماغ المحيطة بها. 5. بعد العملية الجراحية الاسترداد بعد الاسمنت وشددت تماما، خياطة الجلد بإحكام حول غطاء الرأس وإزالة الحيوان من الإطار التجسيمي. تطبيق مسحوق مطهر أو مرهم مضاد حيوي غزير حول الجرح. إذا كان هناك أي نزيف من الأذنين، ووضع بعض المضادات الحيوية بشكل جيد في قناة الأذن. الحفاظ على الحيوان دافئ كما الباربيتورات منع الحيوان من الحفاظ على حرارة الجسم. منزل مجموعة شرق افريقياح مزروع مزمنة حيوان في قفص منفصل. وعادة ما يستغرق أربعة إلى سبعة أيام للحيوان لاسترداد تماما من عملية جراحية. 6. ممثل النتائج وهناك قطب كهربائي ناجح جراحة زرع السيليكون وتسجيل المواقع مع ممانعات قياس بين 2MOhm-500kOhm، والأغشية الرقيقة بين أقطاب 10kOhm-50kOhm (في 1kHz). يمكن التحقق من الإشارة العصبية بعد الجراحة مباشرة كذلك. يجب أن تكون قادرا على رؤية المسامير على أقطاب كهربائية مزروعة ونرى موجة التذبذبات البطيئة على سطح القطب فيلم رقيقة (الشكل 1). الشكل 1. ممثل نتائج النشاط وحدة واحدة والتذبذبات ECOG. أ) واسعة النطاق البيانات من 6 قنوات سجلت في وقت واحد من القطب السيليكون مزمن مزروع في القشرة المخية الحديثة. لاحظ أنه يمكن أن ينظر إليها في كثير من الأحيان طفرات عبر مواقع تسجيل. ب) Eالتذبذبات الترس من 6 قنوات من 16 قناة الأغشية الرقيقة uECoG مجموعة قطب كهربائي على سطح الدماغ. أزيلت يعني من كل 16 من كل الإشارات التتبع (مشترك مراجع المتوسط)، وطبق رقمي 500 هرتز مرشح المرور المنخفض.
Discussion
هناك اهتمام متزايد في استخدام intracortical والسطحية واجهات تسجيل متعددة للبحث وظائف المخ 2، وتوفير microstimulation 3، أو إشارات التحكم لأنظمة neuroprosthetic 4،5. الأساليب المبينة في هذا الفيديو لشرح كيفية زرع قطب كهربائي اختراق أنظمة المزمنة والسطحية. في حين أن غيرها من نظم السيليكون الكهربائي مزمن وجود 6، فقد ركزنا على زرع أقطاب كهربائية مستو من تطوير تكنولوجيات NeuroNexus 7،8. والتقنيات اللازمة لغرس نظم القطب الآخر اختلافا كبيرا.
من الخطوات الجراحية وصفها، وقد تصاعد هذا الحيوان في البارات الأذن التجسيمي يكون أصعب وأهم خطوة في تحديد دقة موضع أقطاب كهربائية مزروعة. يجب توخي الحذر الشديد، لذلك، لنفترض أن يتم وضع كل طرف بشكل صحيح الأذن شريط في الصماخ السمعي. بعد assuraNCE أن الطرف الأذن شريط هو في الصماخ السمعي من الأذن الحيوان حق، وإطلاق سراح رقبة الحيوان مع يدك اليمنى بينما الإبهام والسبابة اليسرى مواصلة تقديم الدعم للرئيس والضغط من الرأس ضد طرف الأذن بار. مع يدك اليمنى، وخففت الضغط على شريط الأذن اليسرى في القناة السمعية والضغط نحو الداخل طفيف. التحرك في الجانب الأيسر من رأس الحيوان إلى أسفل وإلى الأمام، وحول جميع حتى يمكنك أن تشعر اليسار زلة طرف الأذن شريط في الصماخ السمعي. مع يدك اليمنى، ومواصلة الضغط على شريط الأذن اليسرى. الافراج عن رئيس الحيوان و، مع يدك اليسرى المجانية الآن، وتشديد المسمار مجموعة من شريط الأذن اليسرى.
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
وقد تم تمويل هذا العمل من قبل مركز تكنولوجيا الاتصالات العصبية (CNCT)، ومركز الموارد P41 بتمويل من المعهد الوطني للتصوير الطبية الحيوية والهندسة الحيوية (NIBIB، P41 EB002030) وبدعم من المعاهد الوطنية للصحة (NIH). الكتاب أود أن أشكر ريو فيتر من تقنيات NeuroNexus لتطوير التقنيات الجراحية، والفقرات باتل من جامعة ميشيغان لتجميع قائمة من المعدات التي تستخدم أثناء العمليات الجراحية.
Materials
| Equipment | Company | Catalogue number | Comments |
| Bone Screw – #2-56 x 3/16, phillips pan head, 18-8 S/S | BoltDepot | 7650 | |
| Bone Screw – #2-56 x 1/8, phillips pan head, 18-8 S/S | BoltDepot | 9617 | |
| Large Oxygen Tank – Size K | Cryogenic Gases | OXKME | |
| Small Oxygen Tank – Size E | Cryogenic Gases | OXYE-AL | |
| Vannas-Tubingen Spring Scissors – 2.5mm Blade, Angled | Fine Science Tools | 15002-08 | |
| Dumont #5 Forceps, Teflon | Fine Science Tools | 11626-11 | |
| Dumont #5 Forceps, Dumostar | Fine Science Tools | 11295-10 | |
| Student Vannas Spring Scissors | Fine Science Tools | 91500-09 | |
| Adson Forceps | Fine Science Tools | 11006-12 | |
| Friendman-Pearson Ronqeur, Curved | Fine Science Tools | 16221-14 | |
| Iris Scissors – ToughCut | Fine Science Tools | 14058-11 | |
| Vannas-Tubingen Spring Scissors – 5mm Blade, Straight | Fine Science Tools | 15003-08 | |
| Scalpel Handle | Fine Science Tools | 10003-12 | |
| Plastic Sterilization Box | Fine Science Tools | 20810-02 | |
| Stainless Steel Ruler | Fine Science Tools | 30086-15 | |
| Probe & Spatula – Straight 14cm | Fine Science Tools | 10090-13 | |
| Hemostat Straight | Fine Science Tools | 13002-10 | |
| Hemostat Curved | Fine Science Tools | 13003-10 | |
| Micro Drill Stainless Steel Burrs – 0.7mm | Fine Science Tools | 19008-07 | 10/Pack |
| Micro Drill Stainless Steel Burrs – 0.5mm | Fine Science Tools | 19007-05 | 10/Pack |
| Self-Tapping Bone Screws – 1.17mm (diam) – 4.7mm (length) | Fine Science Tools | 19010-00 | 100/Pack |
| Artificial Tears | Fisher | NC9860842 | Each |
| Betadine | Fisher | 19-066452 | Bottle |
| F-AIR Carbon Filters | Fisher | NC9112250 | Canister |
| Applicator Cotton Tipped, Non Sterile | Materiel Services | 1104 | 10Pack/Case |
| Gauze 2" x 2" | Materiel Services | 1630 | 25Pack/Case |
| Needle tip, 23 GA x 1" | Materiel Services | 39412 | Sold by Case |
| Needle tip, 27 GA x 1.25" | Materiel Services | 25251 | |
| Needle tip, 30 GA x 0.5" | Materiel Services | 22023 | 10Box/Case |
| Ointment, Triple Antibiotic 0.6g | Materiel Services | 2528 | |
| Pouch, Self Seal Sterilization Pouches, 3.5" x 8" | Materiel Services | 1023 | 10Box/Case |
| Ringers Solution 1000ml | Materiel Services | 5263 | 12Bag/Case |
| Scalpel Blade disposable sterile #15 | Materiel Services | 1975 | 3Box/Case |
| Suture, Nylon w/P-3 Needle, 5-0, 18in. | Materiel Services | 4618 | 12/Box |
| Underpad, Disposable 23" x 36" | Materiel Services | 2545 | 15Pack/Case |
| Lubricant, Jelly Surgical Sterile | Materiel Services | 2538 | 12Box/Case |
| Absorbable Foam Gel 2cmx6cmx7mm | Materiel Services | 3107 | |
| Six Piece Set-Screw Screwdriver Set | National Jewelers Supplies | ETSCR98001 | |
| Kwik Sil Adhesive | WPI | KWIK-SIL | |
| Kwik Sil Tubes | WPI | 600009 | |
| Chronic silicon electrodes 16 to 64 sites | NeuroNexus Technologies | Varies on Probe Design | |
| Chronic thin film surface electrodes (microECoG) 16 to 32 sites | NeuroNexus Technologies | Varies on Probe Design |
References
- Paxinos, G. A. . The Rat Brain in Stereotaxic Coordinates. , (2007).
- Fujisawa, S. A. Behavior-dependent short-term assembly dynamics in the medial prefrontal cortex. Nat. Neurosci. 11 (7), 823-833 (2008).
- Merrill, D. B. Electrical stimulation of excitable tissue: design of efficacious and safe protocols. J. Neurosci. Methods. 141, 171-171 (2005).
- Gage, G. J. Naive coadaptive cortical control. J. Neural Eng. 2, 52-52 (2005).
- Marzullo, T. L. Development of Closed-Loop Neural Interface Technology in a Rat Model: Combining Motor Cortex Operant Conditioning With Visual Cortex Microstimulation. IEEE Trans. Neur. Sys. and Rehab. Eng. 18 (2), 117-126 (2010).
- Maynard, E. N. The Utah intracortical electrode array: a recording structure for potential brain-computer interfaces. Electroencephalogr. Clin. Neurophysiol. 102, 228-239 (1997).
- Kipke, D. V. Silicon-substrate intracortical microelectrode arrays for long-term recording of neuronal spike activity in cerebral cortex. IEEE Trans. Neural Syst. Rehab. Eng. 11 (2), 151-155 (2003).
- Vetter, R. W. Chronic neural recording using silicon-substrate microelectrode arrays implanted in cerebral cortex. IEEE Trans. Biomed. Eng. 51 (6), 896-904 (2004).
Cite This Article
Gage, G. J., Stoetzner, C. R., Richner, T., Brodnick, S. K., Williams, J. C., Kipke, D. R. Surgical Implantation of Chronic Neural Electrodes for Recording Single Unit Activity and Electrocorticographic Signals. J. Vis. Exp. (60), e3565, doi:10.3791/3565 (2012).