رسم خرائط الدماغ باستخدام مصفوفة أقطاب الجرافين
Summary
نقدم إجراء رسم خرائط الدماغ القائم على مصفوفة الجرافين لتقليل الغزو وتحسين الدقة الزمانية المكانية. تظهر الأقطاب الكهربائية السطحية القائمة على صفيف الجرافين توافقا حيويا طويل المدى ومرونة ميكانيكية وملاءمة لرسم خرائط الدماغ في الدماغ المعقد. يسمح هذا البروتوكول ببناء أشكال متعددة من الخرائط الحسية في وقت واحد وبالتتابع.
Abstract
تمثل الخرائط القشرية التنظيم المكاني للاستجابات العصبية المعتمدة على الموقع للمنبهات الحسية الحركية في القشرة الدماغية ، مما يتيح التنبؤ بالسلوكيات ذات الصلة من الناحية الفسيولوجية. تم استخدام طرق مختلفة ، مثل الأقطاب الكهربائية المخترقة ، وتخطيط كهربية الدماغ ، والتصوير المقطعي بالإصدار البوزيتروني ، وتصوير الدماغ المغناطيسي ، والتصوير بالرنين المغناطيسي الوظيفي ، للحصول على خرائط قشرية. ومع ذلك ، فإن هذه الطرق محدودة بسبب ضعف الدقة الزمانية المكانية ، وانخفاض نسبة الإشارة إلى الضوضاء (SNR) ، وارتفاع التكاليف ، وعدم التوافق الحيوي أو التسبب في أضرار مادية للدماغ. تقترح هذه الدراسة طريقة رسم الخرائط الحسية الجسدية القائمة على مصفوفة الجرافين كسمة من سمات تخطيط الكهربية التي توفر توافقا حيويا فائقا ، ودقة زمانية مكانية عالية ، ونسبة إشارة إلى الضوضاء مرغوبة ، وتقليل تلف الأنسجة ، والتغلب على عيوب الطرق السابقة. أظهرت هذه الدراسة جدوى مصفوفة أقطاب الجرافين لرسم الخرائط الحسية الجسدية في الفئران. يمكن تطبيق البروتوكول المقدم ليس فقط على القشرة الحسية الجسدية ولكن أيضا على القشرة الأخرى مثل القشرة السمعية والبصرية والحركية ، مما يوفر تقنية متقدمة للتنفيذ السريري.
Introduction
الخريطة القشرية هي مجموعة من البقع المحلية التي تمثل خصائص الاستجابة للمنبهات الحسية الحركية في القشرة الدماغية. إنها تكوين مكاني للشبكات العصبية وتمكن من التنبؤ بالإدراك والإدراك. لذلك ، تعد الخرائط القشرية مفيدة في تقييم الاستجابات العصبية للمنبهات الخارجية ومعالجة المعلومات الحسيةالحركية 1،2،3،4. تتوفر الطرق الغازية وغير الغازية لرسم الخرائط القشرية. تتضمن إحدى الطرق الغازية الأكثر شيوعا استخدام أقطاب كهربائية داخل القشرة (أو مخترقة) لرسم خرائط5،6،7،8.
واجه تقييم الخرائط القشرية عالية الدقة عند الطلب باستخدام أنقيب كهربائية مخترقة العديد من العقبات. هذه الطريقة شاقة للغاية للحصول على خريطة لائقة وغازية للغاية بحيث لا يمكن تنفيذها للاستخدام السريري ، مما يحظر المزيد من التطوير. اكتسبت التقنيات الحديثة مثل تخطيط كهربية الدماغ (EEG) والتصوير المقطعي بالإصدار البوزيتروني (PET) وتخطيط الدماغ المغناطيسي (MEG) والتصوير بالرنين المغناطيسي الوظيفي (fMRI) شعبية لأنها أقل توغلا وقابلة للتكرار. ومع ذلك ، نظرا لتكاليفها الباهظة وسوء حلها ، يتم استخدامها في عدد محدود من الحالات9،10،11. في الآونة الأخيرة ، جذبت الأقطاب الكهربائية السطحية المرنة ذات موثوقية الإشارة الفائقة اهتماما كبيرا. تظهر الأقطاب الكهربائية السطحية القائمة على الجرافين التوافق الحيوي والمرونة الميكانيكية على المدى الطويل ، مما يوفر تسجيلات مستقرة في الدماغ المعقد12،13،14،15،16. طورت مجموعتنا مؤخرا مصفوفة متعددة القنوات قائمة على الجرافين للتسجيل عالي الدقة والتحفيز العصبي الخاص بالموقع على السطح القشري. تتيح لنا هذه التقنية تتبع التمثيلات القشرية للمعلومات الحسية لفترة طويلة.
توضح هذه المقالة الخطوات المتبعة في الحصول على خريطة دماغية للقشرة الحسية الجسدية باستخدام مجموعة متعددة الأقطاب من الجرافين مكونة من 30 قناة. لقياس نشاط الدماغ ، يتم وضع مجموعة قطب كهربائي من الجرافين على المنطقة تحت الجافية من القشرة ، في حين يتم تحفيز مقدمة القدم ، والأطراف الأمامية ، ومخلب الخلف ، والطرف الخلفي ، والجذع ، والشعيرات بعصا خشبية. يتم تسجيل الإمكانات الحسية الجسدية (SEPs) للمناطق الحسية الجسدية. يمكن أيضا تطبيق هذا البروتوكول على مناطق الدماغ الأخرى ، مثل القشرة السمعية والبصرية والحركية.
Protocol
Representative Results
Discussion
يوفر البروتوكول المقدم عملية متعمقة خطوة بخطوة تشرح كيفية الوصول إلى الاستجابات الحسية الجسدية للفئران ورسم خرائطها باستخدام مجموعة أقطاب الجرافين. البيانات المكتسبة من البروتوكول هي SEPs التي توفر معلومات حسية جسدية مرتبطة بشكل متشابك بكل جزء من أجزاء الجسم.
وينبغي النظر …
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
تم دعم هذا العمل من قبل جامعة إنتشون الوطنية (التعاونية الدولية) لسونغو يانغ.
Materials
| 1mL syringe | KOREAVACCINE CORPORATION | injecting the drug for anesthesia | |
| 3mL syringe | KOREAVACCINE CORPORATION | injecting the drug for anesthesia | |
| Bone rongeur | Fine Science Tools | 16220-14 | remove the skull |
| connector | Gbrain | Connect graphene electrode to headstage | |
| drill | FALCON tool | grind the skull | |
| drill bits | Osstem implant | grind the skull | |
| Graefe iris forceps slightly curved serrated | vubu | vudu-02-73010 | remove the tissue from the skull or hold wiper |
| graphene multielectrode array | Gbrain | records signals from neuron | |
| isoflurane | Hana Pharm Corporation | sacrifce the subject | |
| ketamine | yuhan corporation | used for anesthesia | |
| lidocaine(2%) | Daihan pharmaceutical | local anesthetic | |
| Matlab R2021b | Mathworks | Data analysis Software | |
| mosquito hemostats | Fine Science Tools | 91309-12 | fasten the scalp |
| ointment | Alcon | prevent eye from drying out | |
| povidone | Green Pharmaceutical corporation | disinfect the incision area | |
| RHS 32ch Stim/Record headstage | intan technologies | M4032 | connect connector to interface cable and contain intan RHS stim/amplifier chip |
| RHS 6-ft (1.8m) Stim SPI interface cable | intan technologies | M3206 | connect graphene electrode to headstage |
| RHS Stim/Recording controller software | intan technologies | Data Acquisition Software | |
| RHS stimulation/ Recording controller | intan technologies | M4200 | |
| saline | JW Pharmaceutical | ||
| scalpel | Hammacher | HSB 805-03 | |
| stereotaxic instrument | stoelting | fasten the subject | |
| sterile Hypodermic Needle | KOREAVACCINE CORPORATION | remove the dura mater | |
| Steven Iris Tissue Forceps | KASCO | 50-2026 | remove the dura mater |
| surgical blade no.11 | FEATHER | inscise the scalp | |
| surgical sicssors | Fine Science Tools | 14090-09 | inscise the scalp and remove the dura mater |
| wooden stick | whisker stimulation | ||
| xylazine | Bayer Korea | used for anesthesia |
References
- Leergaard, T. B., et al. Rat somatosensory cerebropontocerebellar pathways: spatial relationships of the somatotopic map of the primary somatosensory cortex are preserved in a three-dimensional clustered pontine map. Journal of Comparative Neurology. 422 (2), 246-266 (2000).
- Craner, S. L., Ray, R. H. Somatosensory cortex of the neonatal pig: I. Topographic organization of the primary somatosensory cortex (SI). Journal of Comparative Neurology. 306 (1), 24-38 (1991).
- Benison, A. M., Rector, D. M., Barth, D. S. Hemispheric mapping of secondary somatosensory cortex in the rat. Journal of Neurophysiology. 97 (1), 200-207 (2007).
- Lee, M., et al. Graphene-electrode array for brain map remodeling of the cortical surface. NPG Asia Materials. 13 (1), (2021).
- Yang, S. C., Weiner, B. D., Zhang, L. S., Cho, S. J., Bao, S. W. Homeostatic plasticity drives tinnitus perception in an animal model. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. 108 (36), 14974-14979 (2011).
- Yang, S., Zhang, L. S., Gibboni, R., Weiner, B., Bao, S. W. Impaired development and competitive refinement of the cortical frequency map in tumor necrosis factor-alpha-deficient mice. Cerebral Cortex. 24 (7), 1956-1965 (2014).
- Miyakawa, A., et al. Tinnitus correlates with downregulation of cortical glutamate decarboxylase 65 expression but not auditory cortical map reorganization. Journal of Neuroscience. 39 (50), 9989-10001 (2019).
- Yang, S., Su, W., Bao, S. Long-term, but not transient, threshold shifts alter the morphology and increase the excitability of cortical pyramidal neurons. Journal of Neurophysiology. 108 (6), 1567-1574 (2012).
- Beniczky, S., Schomer, D. L. Electroencephalography: basic biophysical and technological aspects important for clinical applications. Epileptic Disorders. 22 (6), 697-715 (2020).
- Kim, S. G., Richter, W., Uğurbil, K. Limitations of temporal resolution in functional MRI. Magnetic Resonance Medicine. 37 (4), 631-636 (1997).
- Cho, Z. H., et al. A fusion PET-MRI system with a high-resolution research tomograph-PET and ultra-high field 7.0 T-MRI for the molecular-genetic imaging of the brain. Proteomics. 8 (6), 1302-1323 (2008).
- Viventi, J., et al. Flexible, foldable, actively multiplexed, high-density electrode array for mapping brain activity in vivo. Nature Neuroscience. 14 (12), 1599-1605 (2011).
- Masvidal-Codina, E., et al. High-resolution mapping of infraslow cortical brain activity enabled by graphene microtransistors. Nature Materials. 18 (3), 280-288 (2019).
- Blaschke, B. M., et al. Mapping brain activity with flexible graphene micro-transistors. 2D Materials. 4 (2), 025040 (2017).
- Park, S. W., et al. Epidural electrotherapy for epilepsy. Small. 14 (30), 1801732 (2018).
- Lim, J., et al. Hybrid graphene electrode for the diagnosis and treatment of epilepsy in free-moving animal models. NPG Asia Materials. 15 (1), 7 (2023).
- Hermanns, H., et al. Molecular mechanisms of action of systemic lidocaine in acute and chronic pain: a narrative review. British Journal of Anaesthesia. 123 (3), 335-349 (2019).
- Tchoe, Y., et al. Human brain mapping with multithousand-channel PtNRGrids resolves spatiotemporal dynamics. Science Translational Medicine. 14 (628), (2022).
- Wilent, W. B., Contreras, D. Dynamics of excitation and inhibition underlying stimulus selectivity in rat somatosensory cortex. Nature Neuroscience. 8 (10), 1364-1370 (2005).
- Insanally, M. N., Köver, H., Kim, H., Bao, S. Feature-dependent sensitive periods in the development of complex sound representation. Journal of Neuroscience. 29 (17), 5456-5462 (2009).
