ממשק העצבים ההיקפי הרגנרטיבי של שרוול השריר להגברה של אותות עצביים היקפיים שלמים
13 בינואר 2022
כתב יד זה מספק שיטה חדשנית לפיתוח ממשק עצבי היקפי ביולוגי המכונה ממשק עצבי היקפי רגנרטיבי של שרוול השרירים (MC-RPNI). מבנה כירורגי זה יכול להגביר את האותות המוטוריים של העצב ההיקפי הקשור אליו כדי להקל על זיהוי מדויק של כוונה מוטורית ושליטה פוטנציאלית במכשירי אקסוסקלטון.
אותות עצביים פיזיולוגיים הם ברמה של מיקרו-וולטים, שהיא קטנה מכדי להקליט עם אלקטרודות הזמינות כיום באופן אמין. ה- MC-RPNI יכול להתממשק עם עצבים היקפיים שלמים, להגביר את האותות הקטנים למעלה ממאה פעמים כדי להקל על זיהוי אמין ומדויק של כוונת המנוע. היתרון העיקרי של טכניקה זו הוא האופי הביולוגי שלה.
הוא יכול להתממשק עם עצבים היקפיים שלמים לטווח ארוך מבלי לגרום להשפעה מזיקה על העצב עצמו או על מטרות שרירים פנימיים דיסטליים. מכשירי אקסוסקלטון מופעלים המסוגלים להחזיר את התפקוד לבעלי חולשת גפיים מנוצלים לעתים רחוקות למלוא הפוטנציאל שלהם בשל חוסר יכולת לזהות כוונת מנוע באופן אמין ומדויק. בשל יכולות הגברת אות העצבים הביולוגי שלו, RPNI שרוול השרירים הוא התשובה לחסרונות אלה.
בצע חתך אורכי לאורך ההיבט הקדמי של התורם הרצוי, המשתרע ממש מעל הקרסול עד ממש מתחת לברך עם אזמל מספר 15. נתחו את הרקמה התת עורית הבסיסית עם מספריים חדים של הקשתית כדי לחשוף את השרירים התחתונים ואת הגידים הדיסטליים רק פרוקסימליים למפרק הקרסול. לבודד את שריר ה-EDL ואת הגיד הדיסטלי שלו מהשרירים שמסביב.
הקפידו על בידוד של הגיד הנכון על ידי החדרת שני השיניים של מלקחיים או מספריים קשתית מתחת לגיד הדיסטלי רק פרוקסימלי למפרק הקרסול. פתח את המלקחיים או המספריים כדי להפעיל לחץ כלפי מעלה על הגיד. לבצע טנוטומיה דיסטלית של שריר ה-EDL ברמת הקרסול עם מספריים חדים של הקשתית ולנתח את השריר ללא הרקמות הסובבות אותו בעבודה פרוקסימלית לעבר מקורו הגידי.
לאחר הדמיה של הגיד הפרוקסימלי, בצע טנוטומיה פרוקסימלית עם מספריים חדים של הקשתית כדי לשחרר את השתל, לחתוך את שני הקצוות הגידים של השתלת השריר ולחתוך לאורך הרצוי עם מספריים קשתית חדה. בצע חתך אורכי לאורך כל האורך החתוך בצד אחד של שתל השריר כדי להקל על מיקום העצב בתוך שתל השריר ולספק מגע של העצב עם האנדומיסיום. מניחים את שתל השריר המוכן בתוך גזה לחה מלוחה כדי למנוע התייבשות רקמות.
מסמנים את החתך הניתוחי, המשתרע מקו של כ-5 מילימטרים מהחריץ הסיאטי ועד למפרק הברך התחתון. חותכים דרך העור והרקמות התת עוריות לאורך קו החתך המסומן עם להב מספר 15. חותכים בזהירות דרך החיתולית הירך הבסיסית, תוך הקפדה שלא להתארך דרך כל עומק השריר כאשר העצב הסיאטי נמצא ממש מתחת.
לאחר מכן נתחו בזהירות דרך שריר הירך האחורי עם מספריים קטנים קהים או המוסטאט. זהה את עצב הנקבים או ה-CP הנפוץ ובודד אותו בזהירות מהעצבים הסובבים אותו באמצעות זוג מיקרו-מלקחיים ומיקרו-מספריים. הסר כל רקמת חיבור סביב מן האמצעי 2 ס"מ של העצב, נזהר לא למחוץ את העצב.
החזיקו את האפינוריום הפרוקסימלי עם מיקרו מלקחיים מעל החלק המרכזי ביותר של עצב ה-CP המשוחרר וחתכו את האפינוריום באופן מיידי עם מספריים של מיקרו-דיסקציה. לאחר מכן, סעו באופן דיסטלי לאורך העצב כדי ליצור חלון אפינוריאלי התואם את אורך השתלת השריר ולהסיר כ-25% מהאפינוריום. הקפד להסיר קטע זה בחתיכה אחת.
הסר את השתל השריר מהגזה הלחה במלח והניח אותו מתחת לחלק המרכזי של עצב ה- CP שבו נוצר החלון האפינוריאלי. סובבו את העצב ב-180 מעלות כך שמקטע החלון האפינוריאלי ייגע בשריר השלם ולא יעמוד בבסיס קו התפר הסופי. לתפור את אפינוריום העצבים CP עם 8-O תפר ניילון באופן פרוקסימלי ודיסטלי לשתל השריר בתוך החריץ עם תפרים פשוטים שנקטעו כדי להבטיח אפינוריום לאנדומיסיום.
היקף עוטף את הקצוות בשתל השריר המקיף את העצב והתפר המאובטחים כעת במקום עם 8-O מופרע תפרים מניילון. לאחר השגת המוסטזיס, סגרו את החיתולית הירך מעל המבנה עם תפר כרומי 5-O בצורה רצה. סגרו את העור עם תפר כרומי 4-O בצורה רצה.
צביעת H&E של חתך MC-RPNI מראה את השריר והעצב. חתך רוחב של שריר ה-EDL האיפסילטרלי המופנם באופן דיסטלי בחולדה עם MC-RPNI הדגים רקמת עצב ושריר בני קיימא ללא פיברוזיס או הצטלקות משמעותיים בהשוואה לחתך בחולדת ביקורת ללא MC-RPNI. אימונוהיסטוכימיה של חתך אורך של דגימת MC-RPNI מראה גרעינים מוכתמים בכחול עם DAPI ורקמת עצב מוכתמת בירוק.
תקריב של MC-RPNI מוצלח אחר מראה מספר צמתים עצביים-שריריים מוכתמים באלפא-בונגארוטוקסין באדום עבור קולטני אצטילכולין. בדיקות אלקטרופיזיולוגיות שבוצעו במבני MC-RPNI הראו כי פוטנציאל הפעולה של השרירים המורכבים או צורות הגל של CMAPs דומים במראה שלהם לשרירים מקומיים, מה שתומך עוד יותר בכך שהם התחדשו על ידי העצב הכלוא שלהם. CMAP שנוצר על ידי שריר EDL פיזיולוגי בעקבות גירוי עצבי CP פרוקסימלי נע בדרך כלל בין 20 ל -30 מיליוולט.
EDL CMAPs בחולדות עם MC-RPNIs מושתלים אינם שונים באופן משמעותי, ממוצע של 24.27 מיליוולט פלוס או מינוס 1.34 מיליוולט. חשוב מאוד לתרגל יצירת חלון אפינוריאלי לפני השימוש בו במחקר. האפינוריום הוא כיסוי דק ושברירי מאוד על העצב, ופגיעה בסיבי העצב הבסיסיים יכולה לשנות את התוצאות בדרכים מאוד בלתי צפויות.
מבנים אלה נחשבים בוגרים בחולדות לאחר 3 חודשים, ויכולות ההתאמה האישית שלהם הן אינסופיות. לאחר ההבשלה, ניתן להשתמש ב- MC-RPNI בהערכות פיזיולוגיות, ניתוח אלקטרופיזיולוגי ובדיקות כוח שרירים. נוירוראפיה מקצה לצד היא מושג חדש יחסית בניתוח שבו עצב טרנסקטטיבי מחוברת לעצב היקפי שלם הגורם לביטחונות הנובטים מהעצב השלם לתוך המקטע המושתל.
גילינו שתופעה זו מתרחשת גם בשריר המושתל ישירות לעצב השלם והאפשרויות למחקר נוסף מרתקות.
צפו בתמליל המלא וקבלו גישה לאלפי סרטונים מדעיים
סקירה כללית
כתב יד זה מציג את הממשק העצבי ההיקפי הרגנרטיבי בעטיפת שריר (MC-RPNI), שיטה חדשנית לפיתוח ממשק עצבי היקפי ביולוגי. מבנה כירורגי זה מגביר אותות מוטוריים יוצאים (efferent) מעצבים היקפיים, ובכך משפר את זיהוי הכוונה המוטורית לצורך שליטה פוטנציאלית במכשירי שלד חיצוני (exoskeleton).
מרכיבי מפתח של המחקר
תחום המדע
- מדעי המוח
- הנדסה ביו-רפואית
- נוירופרוטזות
רקע
- אותות עצביים פיזיולוגיים הם בדרך כלל בטווח המיקרו-וולט.
- אלקטרודות נוכחיות מתקשות להקליט אותות קטנים אלו באופן מהימן.
- ממשק ה-MC-RPNI יכול להתממשק עם עצבים פריפריים שלמים לטווח ארוך.
- שיטה זו אינה משפיעה לרעה על יעדי העצבים או השרירים.
מטרת המחקר
- פיתוח ממשק ביולוגי המגביר אותות עצביים.
- שיפור המהימנות בזיהוי כוונת תנועה.
- שיפור הפונקציונליות של מכשירי שלד חיצוניים (exoskeleton) ממונעים.
שיטות שנעשה בהן שימוש
- פיתוח של ממשק עצב פריפרי הregenerative מסוג Muscle Cuff.
- הגברה של אותות עצביים פי מאה.
- ממשק לטווח ארוך עם עצבים פריפריים.
- הערכה של דיוק זיהוי האותות.
תוצאות עיקריות
- ה-MC-RPNI הגביר בהצלחה אותות עצביים פיזיולוגיים.
- הושגה זיהוי אמין של כוונת מוטורית.
- הטכניקה הפגינה תאימות לטווח ארוך עם רקמות עצביות.
- זוהו יישומים פוטנציאליים לשליטה במכשירי שלד חיצוני (exoskeleton).
מסקנות
- ה-MC-RPNI נותן מענה למגבלות של שיטות גילוי אותות עצביים קיימות.
- ממשק ביולוגי זה עשוי לשפר משמעותית יישומים של פרוטזות עצביות.
- מחקרים עתידיים עשויים להרחיב את השימוש בו לשיקום תפקוד מוטורי.
שאלות נפוצות
רלוונטיות תעשייתית למנהלים
גישות נוירופרוסטטיות עכשוויות ניצבות בפני אתגרים בזיהוי מהימן של אותות עצב פריפריאליים בעוצמה נמוכה, דבר המגביל את התפקוד של שלדים חיצוניים (exoskeletons) עבור מטופלים עם ליקויים מוטוריים. ממשק עצב פריפריאלי רגנרטיבי מבוסס שרוול שריר (MC-RPNI) נותן מענה לכך על ידי הגברה ביולוגית של אותות העצב עד פי 100, ובכך משפר את דיוק זיהוי הכוונה המוטורית. ממשק ביולוגי זה תומך בפיתוח נוירופרוסטטי תרגומי על ידי שיפור נאמנות האות ללא השפעות שליליות על רקמות העצב או השריר.
יישומים אסטרטגיים במחקר ופיתוח בביופארמה
גילוי מוקדם ותיקוף מטרה
- ערך מדעי: מאפשר בחינה של מסלולי העברה בעצבים פריפריאליים באמצעות קריאות מוגברות של פוטנציאל פעולה של שריר תרכוב.
- ערך תפעולי: מספק ממשק ביולוגי יציב וארוך טווח לרכישת אותות עקבית במודלים פרה-קליניים.
- ערך אסטרטגי: תומך בתיקוף מטרות על ידי שיפור יחס אות-רע במחקרי מסלולים מוטוריים, ובכך מפחית תוצאות שגויות שליליות במערכי בדיקה של מעורבות מטרה.
סריקה ופיתוח בדיקה
- ערך מדעי: מייצר פוטנציאלי פעולה של שריר תרכובים (CMAPs) מדידים בטווח המילי-וולט, המאפשרים סריקה אלקטרופיזיולוגית מדויקת של תרכובות נוירומודולטוריות.
- ערך תפעולי: מספק מערכת הגברה ביולוגית הניתנת לשחזור, התואמת לציוד אלקטרופיזיולוגי סטנדרטי לשילוב במערכי בדיקה בעלת תפוקה גבוהה.
- ערך אסטרטגי: מקל על סטנדרטיזציה של הבדיקה בין מעבדות באמצעות שימוש במבנה שריר-עצב עם רגינרציה (reinnervated) מאופיין היטב ובעל פיברוזיס מינימלי.
מחקר תרגומי ופרה-קליני
- ערך מדעי: מדגים הגברה של אות רלוונטית למחלה במודלים של מכרסמים, ובכך תומך בהערכה פרה-קלינית של אסטרטגיות בקרה נוירופרוטזטיות.
- ערך תפעולי: מאפשר מחקרים לרוחב (Longitudinal) הודות ליציבות ארוכת טווח ולהעדר תגובה לגוף זר, מה שמפחית את השונות במחקרי יעילות כרוניים.
- ערך אסטרטגי: תומך בהחלטות של המשך או עצירה (go/no-go) בפיתוח שלטים חיצוניים (Exoskeletons) על ידי אספקת פלטפורמה מאושרת לזיהוי כוונת מוטורית לפני המעבר ליישום קליני.
שילוב תהליכי עבודה וצינור עיבוד (Pipeline)
ה-MC-RPNI משתלב ברצף הגילוי, החל מתיקוף המטרה, דרך אופטימיזציה של תרופה מובילה ועד להערכה פרה-קלינית, במיוחד עבור נוירומודולטורים ובקרים של פרוטזות עצביות המכוונים למסלולים מוטוריים פריפריאליים.
- ביולוגיה של גילוי: תומך בבדיקת השערות על תקשורת עצב-שריר על ידי הגברת אותות אפרנטיים לצורך זיהוי ברור במדידות אלקטרופיזיולוגיות.
- סריקה: מאפשר מוכנות של הבדיקה באמצעות השתלות יציבות שעברו אינרוויזציה מחדש, המייצרות גלי CMAP עקביים המתאימים לסריקת ספריות של תרכובות.
- אנליטיקה: מספק פלטים כמותיים מבוססי סף (למשל, אמפליטודת CMAP >20 mV) המאפשרים השוואה אובייקטיבית של תנאי ניסוי והשפעות של תרכובות.
- מחקר תרגומי: מגשר בין שלב הגילוי לעבודה פרה-קלינית על ידי אספקת ממשק משולב ביולוגית המשקף את הפיזיולוגיה הטבעית של המצומד העצבי-שרירי.
- שימוש חוזר ארגוני: מהווה טכנולוגיית פלטפורמה הניתנת ליישום על פני מספר יעדים של עצבים פריפריאליים ומודלים של מחלות, ובכך מפחית עלויות פיתוח מחדש.
השפעה תפעולית וארגונית
- ערך מדעי: מגביר את הביטחון החזוי במודולציה של המטרה על ידי המרה של אותות עצביים ברמה של מיקרו-וולט לתגובות שרירים גילויות ברמה של מילי-וולט.
- ערך תפעולי: מבטיח הדירות באמצעות הכנה כירורגית סטנדרטית ותיקוף היסטולוגי של עיצבוב מחדש (למשל, H&E, אימונוהיסטוכימיה).
- ערך אסטרטגי: מפחית את הסיכון לכישלון בשלבים מאוחרים על ידי שיפור הגילוי המוקדם של תרכובות ביו-אקטיביות המשפיעות על מסלולים מוטוריים.
- השפעה על תיק הפרויקטים: מאפשר תעדוף מותאם סיכון של פרויקטים של נוירופרוטזות, בהתבסס על יכולת גילוי אותיות מאושרת במודלים פרה-קליניים.
שיקולי יישום
- דורש מומחיות במיקרו-כירורגיה של דיסקציה של עצבים פריפריים והכנת השתקת שריר.
- תלוי במתקנים כירורגיים סטריליים ובמכשור מדויק (למשל, מספרי מיקרו-דיסקציה, פינצטות).
- מחייב טיפול סטנדרטי לאחר הניתוח ותקופות הבשלה מוגדרות בזמן (למשל, 3 חודשים בחולדות) להשגת רה-אינרווציה אמינה.
- דורש מערך אלקטרופיזיולוגי המסוגל לגרות עצבים ולהקליט CMAPs עם סינון והגברה מתאימים.
- מוגבל למינים שבהם השתקת שריר אוטולוגית ונגישות לעצבים פריפריים הן ישימות; התרחבות למודלים גדולים יותר דורשת תיקוף.
