הערכת נזק תרמי מקרניוטומיה שנקדחה על ידי רובוט לניתוח חלון גולגולת בעכברים

חלונות גולגולת נמצאים בשימוש נפוץ בכל תחומי מדעי המוח, הנדסה עצבית וביולוגיה כדי לאפשר הדמיה ישירה והדמיה של קליפת המוח בבעלי חיים 1,2,3,4,5,6,7,8,9,10,11 . השילוב רב העוצמה של עכברים טרנסגניים והדמיית מולטיפוטונים סיפק תובנות בעלות ערך רב על פעילות המעגלים ותובנות ביולוגיות אחרות במוח in vivo 12,13,14,15,16,17,18. מיקרוסקופים זעירים המותקנים על הגולגולת הרחיבו יכולות אלה עוד יותר כדי לאפשר הקלטות בבעלי חיים ערים הנעים בחופשיות¹⁹. תהליך יצירת חלון גולגולתי דורש קידוח כוח כדי לדלל או להסיר לחלוטין את עצם הגולגולת כדי לייצר קרניוטומיות גדולות מספיק כדי להבטיח חתיכת זכוכית שקופה מעל קליפת המוח²⁰. פולידימתילסילוקסאן (PDMS) ופולימרים אחרים נבדקו גם כחומרי חלון גולגולתי ^9,21. בסופו של דבר, חלון הגולגולת האידיאלי הוא חלון שאינו משנה או מפריע לפעילות אנדוגנית נורמלית מתחת. עם זאת, מקובל כי קידוח חלונות גולגולת מחמיר את הרקמה הבסיסית, מוביל לנזק למוח, הפרעה לסביבה והשפעה על קרומי המוח עד כדי הסתרת עומק הדמיה מולטיפוטון²². לדלקת העצבית המתקבלת יש מגוון רחב של השפעות החל מחדירות מחסום הדם-מוח (BBB), ועד הפעלה וגיוס של תאי גלייה סביב אתר השתל²³. לכן, אפיון שיטות קידוח חלון גולגולת בטוחות וניתנות לשחזור הוא חיוני לאיכות הדמיה עקבית ולהפחתת גורמים מבלבלים.

בעוד שננקטת זהירות כדי למזער את הטראומה לרקמה הבסיסית, לפעולת קידוח העצם יש פוטנציאל לגרום להפרעות תרמיות ומכניות למוח^24,25. טראומה מכנית מחדירת מקדח בשוגג לתוך הדורה עלולה לגרום בדרגות שונות של פגיעה בקליפת המוח²⁴. במחקר שנערך על ידי Shoffstall et al.25, החום מקידוח עצם הביא לחדירות מוגברת של BBB, כפי שצוין על ידי נוכחות של צבע כחול אוונס (EB) בפרנכימה במוח ²⁵. צבע EB, המוזרק לווריד, נקשר לאלבומין במחזור הדם ולכן בדרך כלל אינו חוצה BBB בריא בריכוזים ניכרים. כתוצאה מכך, צבע EB משמש בדרך כלל כסמן רגיש של חדירות BBB^26,27. בעוד המחקר שלהם לא מדד ישירות את ההשפעה של חדירות BBB על sequelae ביולוגי לאחר מכן תחת מחקר, מחקרים קודמים מצאו קשר חדירות BBB לתגובה נוירו-דלקתית מוגברת למיקרואלקטרודות מושתלות כרוניות ושינויים בתפקוד המוטורי²⁸.

בהתאם למטרות המחקר, עוצמת הנזק התרמי והמכני עשויה לתרום מקור לטעות ניסויית, ולהשפיע לרעה על הקשיחות והשחזור של המחקר. ישנן עשרות שיטות מצוטטות לייצור חלונות גולגולת, כל אחת באמצעות ציוד קידוח שונה, מהירויות, טכניקות, ומשתמשים 1,2,3,4,5,6,7,8,9,10,11. Shoffstall et al.25 דיווחו כי השונות שנצפתה בתוצאות החימום יוחסה לשונות בכוח המופעל של הקידוח, בקצב ההזנה ובזווית היישום שלו, בין היבטים אחרים שלא ניתן לשלוט בהם בעת קידוח ביד ²⁵. קיימת אמונה כי מערכות קידוח אוטומטיות וציוד סטריאוטקסי אחר יכולים לשפר את יכולת השחזור ואת עקביות התוצאה, אך מחקרי שיטה שפורסמו לא העריכו בקפדנות טמפרטורה או חדירות BBB כאחת התוצאות. לכן, יש צורך בשיטות ניתנות יותר לשחזור ומיושמות באופן עקבי לייצור חלונות גולגולת, כמו גם שיטות המיושמות בקפדנות כדי להעריך את ההשפעה של קידוח חלון גולגולתי על רקמה עצבית בסיסית.

מטרת מחקר זה היא לקבוע ולפתח שיטות קידוח עקביות ובטוחות לחלונות גולגולת. גודל הקרניוטומיה להתקנת חלון גולגולתי גדול משמעותית מקרניוטומיות סטנדרטיות עבור מיקרואלקטרודות מושתלות במוח. קרניוטומיות כאלה לא ניתן להשלים עם חור בור יחיד בעת שימוש בציוד סטנדרטי, ובכך להציג יותר שונות טכניקה בין מנתחים כאשר מבוצע על ידי יד²⁰. רובוטים לקידוח כירורגי הוכנסו לתחום, אך לא אומצו באופן נרחב ^1,6,29. אוטומציה של קידוחים מציעה שליטה על משתנים התורמים לשונות שנצפתה מניסוי לניסוי, מה שמרמז על כך שהשימוש בציוד יכול להפחית את ההשפעות הבין-מנתחות והפנים-מנתחות. זה מעניין במיוחד בהתחשב בקושי הנוסף של קרניוטומיה גדולה יותר הדרושה למיקום חלון גולגולתי. בעוד שניתן להניח שיש יתרונות ברורים לבקרה המסופקת על ידי אוטומציה של הקידוחים, הייתה הערכה מועטה של יישום ציוד זה. למרות שנגעים גלויים לא נצפו⁵, בדיקת רגישות גבוהה יותר באמצעות EB רצויה.

כאן, חדירות BBB נמדדת באמצעות רובוט קידוח כירורגי זמין מסחרית עם תוכנה מתאימה, המאפשר תכנות של קואורדינטות סטריאוטקסיות, תכנון/מיפוי קרניוטומיה, ומבחר סגנונות קידוח (“נקודה אחר נקודה” לעומת “אופקי”), המתייחסים לנתיב המנותב של מקדח. בתחילה קודחים שמונה נקודות “זרע” (איור 1A), המתארות את חלון הגולגולת. מכאן, הרווח בין הזרעים נחתך בשיטת “נקודה אחר נקודה” או “אופקית”. “נקודה אחר נקודה” מבצע חיתוכים אנכיים של חור טייס (בדומה למקדח CNC), ואילו “אופקי” מבצע חיתוכים אופקיים לאורך היקף חלון הגולגולת המתווה את החור (בדומה לנתב CNC). התוצאה עבור שתי השיטות היא חתיכת גולגולת שניתן להסיר כדי לחשוף את חלון הגולגולת. כדי לבודד נזק מקידוח, חלון הגולגולת אינו מוסר פיזית, כדי למנוע נזק נוסף. שילוב של צבע EB בשילוב עם הדמיה פלואורסצנטית משמש למדידת חדירות BBB לאחר ביצוע קרניוטומיות בעכברים, וזוג תרמי שהוחדר משמש למדידה ישירה של הטמפרטורה של פני השטח במוח במהלך הקידוח (איור 1B,C). תצפיות קודמות הצביעו על כך שקידוח פועם במרווחים של 2 שניות הספיק כדי להפחית את חימום הקידוח²⁵, ולכן הוא משולב בגישה הניסויית עבור הרובוט הכירורגי.

מטרת העבודה המוצגת היא להדגים שיטות להערכת נזק תרמי מקידוח קרניוטומיה. בעוד שהשיטות מוצגות בהקשר של קידוח אוטומטי, ניתן ליישם שיטות כאלה גם על תוכניות קידוח ידניות. ניתן להשתמש בשיטות אלה כדי לאמת את השימוש בציוד ו / או תוכניות קידוח לפני אימוץ כהליך סטנדרטי.

איור 1: סכמת צינור ניסיוני. הדגמה סכמטית של התהליך שבעלי חיים עברו לצורך כימות EB לאחר הליך חלון גולגולתי. (A) התקנה סכמטית של העכבר עם המסגרת הסטריאוטקסית ומקדח הרובוט הכירורגי. חלון גולגולתי לדוגמה מוצג מעל קליפת המוח המוטורית עם נקודות זרע (ירוק) ונקודות קצה (כחול). (B) מערך הזילוח כולל הזרקת 1x פוספט חוצץ מלוחים (PBS) ברחבי החיה כדי להסיר כל דם, ולאחר מכן מיצוי של המוח. (C) המוח מוכנס לאחר מכן לתא מערכת הדימות הפלואורסצנטי EB כדי לבצע הדמיה פלואורסצנטית על הצבע הכחול של אוונס. אנא לחץ כאן כדי להציג גרסה גדולה יותר של איור זה.