تقييم الضرر الحراري الناجم عن حج القحف المثقوب بواسطة الروبوت لجراحة نافذة الجمجمة في الفئران

أصبحت نوافذ الجمجمة مستخدمة في كل مكان في جميع مجالات علم الأعصاب والهندسة العصبية والبيولوجيا للسماح بالتصور والتصوير المباشر للقشرة في الحيوانات الحية¹،²،³،⁴،⁵،⁶،⁷،⁸،⁹،^10،11. قدم المزيج القوي من الفئران المعدلة وراثيا والتصوير متعدد الفوتونات رؤى قيمة للغاية حول نشاط الدائرة والرؤى البيولوجية الأخرى في الدماغ في الجسم الحي ¹²،13،14،15،16،^17،18. وقد وسعت المجاهر المصغرة المثبتة على الجمجمة هذه القدرات لتمكين التسجيلات في الحيوانات المستيقظة التي تتحرك بحرية¹⁹. تتطلب عملية إنشاء نافذة الجمجمة حفرا كهربائيا لتخفيف عظم الجمجمة أو إزالته تماما لإنتاج حج القحف الكبير بما يكفي لتأمين قطعة شفافة من الزجاج فوق القشرة²⁰. كما تم اختبار Polydimethylsiloxane (PDMS) والبوليمرات الأخرى كمواد نافذة الجمجمة ^9,21. في النهاية ، نافذة الجمجمة المثالية هي النافذة التي لا تغير أو تتداخل مع النشاط الداخلي الطبيعي تحتها. ومع ذلك ، فمن المقبول عموما أن حفر نافذة الجمجمة يؤدي إلى تفاقم الأنسجة الكامنة ، مما يؤدي إلى تلف الدماغ ، وتعطيل البيئة ، والتأثير على السحايا إلى درجة انسداد عمق التصوير متعدد الفوتونات²². الالتهاب العصبي الناتج له مجموعة واسعة من الآثار تتراوح من نفاذية الحاجز الدموي الدماغي (BBB) ، إلى تنشيط وتجنيد الخلايا الدبقية حول موقع الزرع²³. لذلك ، يعد توصيف طرق حفر نافذة الجمجمة الأكثر أمانا وقابلية للتكرار أمرا بالغ الأهمية لجودة التصوير المتسقة وتقليل العوامل المربكة.

بينما يتم الحرص على تقليل الصدمة إلى الأنسجة الكامنة ، فإن عملية حفر العظام لديها القدرة على التسبب في اضطرابات حرارية وميكانيكية للدماغ^24,25. قد تؤدي الصدمة الميكانيكية الناتجة عن اختراق الحفر العرضي إلى الجافية إلى زيادة درجات متفاوتة من الإصابة القشرية²⁴. في دراسة أجراها Shoffstall et al.25 ، أدت الحرارة الناتجة عن حفر العظام إلى زيادة نفاذية BBB ، كما يتضح من وجود صبغة Evans Blue (EB) في حمة الدماغ ²⁵. ترتبط صبغة EB ، التي يتم حقنها عن طريق الوريد ، بالألبومين المنتشر في مجرى الدم ، وبالتالي لا تعبر عادة BBB صحية بتركيزات ملموسة. نتيجة لذلك ، تستخدم صبغة EB بشكل شائع كعلامة حساسة لنفاذية BBB^26,27. في حين أن دراستهم لم تقيس بشكل مباشر تأثير نفاذية BBB على العواقب البيولوجية اللاحقة قيد الدراسة ، فقد ربطت الدراسات السابقة نفاذية BBB بزيادة الاستجابة الالتهابية العصبية للأقطاب الكهربائية الدقيقة المزروعة بشكل مزمن والتغيرات في الوظيفة الحركية²⁸.

اعتمادا على أهداف الدراسة ، قد يساهم حجم الضرر الحراري والميكانيكي في مصدر للخطأ التجريبي ، مما يؤثر سلبا على دقة الدراسة وقابليتها للتكرار. هناك العشرات من الطرق المذكورة لإنتاج نوافذ الجمجمة ، كل منها يستخدم معدات حفر مختلفة ، وسرعات ، وتقنيات ، ومستخدمين¹،²،³،⁴،⁵،⁶،⁷،⁸،⁹،^10،11. أفاد Shoffstall et al.25 أن الاختلاف الملحوظ في نتائج التسخين يعزى إلى التباين في القوة المطبقة للحفر ومعدل التغذية وزاوية التطبيق ، من بين جوانب أخرى لا يمكن التحكم فيها عند الحفر باليد ²⁵. هناك اعتقاد بأن أنظمة الحفر الآلي وغيرها من المعدات المجسمة يمكن أن تحسن قابلية التكاثر واتساق النتائج ، لكن دراسات الطريقة المنشورة لم تقيم بدقة درجة الحرارة أو نفاذية BBB كواحدة من النتائج. لذلك ، هناك حاجة إلى طرق أكثر قابلية للتكرار وتطبيقها باستمرار لإنتاج نوافذ الجمجمة ، وكذلك الطرق المطبقة بدقة لتقييم تأثير حفر نافذة الجمجمة على الأنسجة العصبية الكامنة.

تركز هذه الدراسة على تحديد وتطوير طرق حفر متسقة وآمنة لنوافذ الجمجمة. حجم حج القحف لتركيب نافذة الجمجمة أكبر بكثير من حج القحف القياسي للأقطاب الكهربائية الدقيقة المزروعة في الدماغ. لا يمكن إكمال حج القحف هذا بفتحة لدغ واحدة عند استخدام المعدات القياسية ، وبالتالي إدخال المزيد من التباين في التقنية بين الجراحين عند إجراؤها يدويا²⁰. تم إدخال روبوتات الحفر الجراحية إلى الميدان ، ولكن لم يتم اعتمادها على نطاق واسع¹،^6،29. توفر أتمتة الحفر التحكم في المتغيرات التي تساهم في التباين الملحوظ من تجربة إلى أخرى ، مما يشير إلى أن استخدام المعدات يمكن أن يقلل من التأثيرات بين الجراحين وأثناءهم. هذا له أهمية خاصة نظرا للصعوبة الإضافية لحج القحف الأكبر اللازم لوضع نافذة الجمجمة. في حين يمكن للمرء أن يفترض أن هناك فوائد واضحة للتحكم الذي توفره أتمتة الحفر ، لم يكن هناك تقييم يذكر لتنفيذ هذه المعدات. على الرغم من عدم ملاحظة الآفات المرئية⁵ ، إلا أن اختبار الحساسية الأعلى باستخدام EB مطلوب.

هنا ، يتم قياس نفاذية BBB باستخدام روبوت حفر جراحي متاح تجاريا مع البرامج المقابلة ، والذي يسمح ببرمجة الإحداثيات المجسمة ، وتخطيط / رسم خرائط حج القحف ، ومجموعة مختارة من أنماط الحفر (“نقطة بنقطة” مقابل “أفقي”) ، في إشارة إلى المسار الموجه لقمة الحفر. في البداية ، يتم حفر ثماني نقاط “بذرة” (الشكل 1 أ) ، تحدد نافذة الجمجمة. من هنا ، يتم قطع المسافة بين البذور باستخدام طريقة الحفر “نقطة بنقطة” أو “أفقية”. تقوم “نقطة تلو الأخرى” بإجراء عمليات قطع عمودية للثقب التجريبي (على غرار مكبس الحفر CNC) ، بينما تقوم “أفقية” بإجراء عمليات قطع أفقية على طول محيط نافذة الجمجمة التي تحدد الفتحة (على غرار جهاز التوجيه CNC). النتيجة لكلتا الطريقتين هي قطعة من الجمجمة يمكن إزالتها للكشف عن نافذة الجمجمة. لعزل الضرر الناتج عن الحفر ، لا تتم إزالة نافذة الجمجمة فعليا ، وذلك لتجنب أي ضرر إضافي. يتم استخدام مزيج من صبغة EB إلى جانب التصوير الفلوري لقياس نفاذية BBB بعد إجراء حج القحف في الفئران ، ويتم استخدام مزدوج حراري مدرج لقياس درجة حرارة سطح الدماغ مباشرة أثناء الحفر (الشكل 1B ، C). أشارت الملاحظات السابقة إلى أن الحفر النبضي على / إيقاف مع فترات 2 ثانية كان كافيا للتخفيف من تسخين الحفر²⁵ ، وبالتالي تم دمجه في النهج التجريبي للروبوت الجراحي.

الهدف من العمل المقدم هو إظهار طرق تقييم الضرر الحراري الناتج عن حفر حج القحف. بينما يتم تقديم الطرق في سياق الحفر الآلي ، يمكن تطبيق هذه الأساليب على مخططات الحفر اليدوي أيضا. يمكن استخدام هذه الطرق للتحقق من صحة استخدام المعدات و / أو مخططات الحفر قبل اعتمادها كإجراء قياسي.

الشكل 1: مخطط خط الأنابيب التجريبي. رسم تخطيطي يوضح العملية التي خضعت لها الحيوانات لإجراء نافذة ما بعد الجمجمة بعد القياس الكمي EB. (أ) الإعداد التخطيطي للماوس مع الإطار التجسيمي وحفر الروبوت الجراحي. يظهر مثال على نافذة الجمجمة فوق القشرة الحركية بنقاط البذور (الخضراء) ونقاط الحافة (الأزرق). (ب) يتضمن إعداد التروية حقن 1x محلول ملحي مخزن بالفوسفات (PBS) في جميع أنحاء الحيوان لإزالة أي دم ، يليه استخراج الدماغ. (ج) يوضع الدماغ بعد ذلك في حجرة نظام التصوير الفلوري EB لإجراء تصوير فلوري على صبغة إيفانز الزرقاء. يرجى النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.