Brain Mapping met behulp van een grafeenelektrode-array
Summary
We presenteren een op grafeenarray gebaseerde hersenkarteringsprocedure om de invasiviteit te verminderen en de spatiotemporale resolutie te verbeteren. Op grafeenarrays gebaseerde oppervlakte-elektroden vertonen biocompatibiliteit op lange termijn, mechanische flexibiliteit en geschiktheid voor hersenkartering in een ingewikkeld brein. Dit protocol maakt het mogelijk om meerdere vormen van sensorische kaarten tegelijkertijd en sequentieel te construeren.
Abstract
Corticale kaarten vertegenwoordigen de ruimtelijke organisatie van locatieafhankelijke neurale reacties op sensomotorische stimuli in de hersenschors, waardoor fysiologisch relevant gedrag kan worden voorspeld. Verschillende methoden, zoals penetrerende elektroden, elektro-encefalografie, positronemissietomografie, magneto-encefalografie en functionele magnetische resonantiebeeldvorming, zijn gebruikt om corticale kaarten te verkrijgen. Deze methoden worden echter beperkt door een slechte spatiotemporele resolutie, een lage signaal-ruisverhouding (SNR), hoge kosten en niet-biocompatibiliteit of veroorzaken fysieke schade aan de hersenen. Deze studie stelt een op grafeenarray gebaseerde somatosensorische mappingmethode voor als een kenmerk van elektrocorticografie die superieure biocompatibiliteit, hoge spatiotemporale resolutie, wenselijke SNR en minimale weefselschade biedt, waardoor de nadelen van eerdere methoden worden overwonnen. Deze studie toonde de haalbaarheid aan van een grafeenelektrode-array voor somatosensorische mapping bij ratten. Het gepresenteerde protocol kan niet alleen worden toegepast op de somatosensorische cortex, maar ook op andere cortices zoals de auditieve, visuele en motorische cortex, en biedt geavanceerde technologie voor klinische implementatie.
Introduction
Een corticale kaart is een verzameling lokale patches die reactie-eigenschappen vertegenwoordigen op sensomotorische stimuli in de hersenschors. Ze zijn een ruimtelijke formatie van neurale netwerken en maken voorspelling mogelijk voor perceptie en cognitie. Daarom zijn corticale kaarten nuttig bij het evalueren van neurale reacties op externe stimuli en het verwerken van sensomotorische informatie 1,2,3,4. Invasieve en niet-invasieve methoden zijn beschikbaar voor corticale mapping. Een van de meest voorkomende invasieve methoden omvat het gebruik van intracorticale (of penetrerende) elektroden voor het in kaart brengen van 5,6,7,8.
Het beoordelen van de on-demand corticale kaarten met hoge resolutie met behulp van penetrerende elektroden is op verschillende obstakels gestuit. De methode is te bewerkelijk om een fatsoenlijke kaart te verkrijgen en te invasief om te implementeren voor klinisch gebruik, waardoor verdere ontwikkeling wordt belemmerd. Meer recente technologieën zoals elektro-encefalografie (EEG), positronemissietomografie (PET), magneto-encefalografie (MEG) en functionele magnetische resonantiebeeldvorming (fMRI) hebben aan populariteit gewonnen omdat deze minder invasief en reproduceerbaar zijn. Gezien hun onbetaalbare kosten en slechte oplossing worden ze echter in een beperkt aantal gevallen gebruikt 9,10,11. Onlangs hebben flexibele oppervlakte-elektroden met superieure signaalbetrouwbaarheid veel aandacht getrokken. Op grafeen gebaseerde oppervlakte-elektroden tonen langdurige biocompatibiliteit en mechanische flexibiliteit, waardoor stabiele opnames in een ingewikkeld brein worden geboden 12,13,14,15,16. Onze groep heeft onlangs een op grafeen gebaseerde meerkanaalsarray ontwikkeld voor opname met hoge resolutie en locatiespecifieke neurostimulatie op het corticale oppervlak. Deze technologie stelt ons in staat om de corticale representaties van sensorische informatie gedurende een langere periode bij te houden.
Dit artikel beschrijft de stappen die betrokken zijn bij het verkrijgen van een hersenkaart van de somatosensorische cortex met behulp van een 30-kanaals grafeen multi-elektrode array. Om de hersenactiviteit te meten, wordt een grafeenelektrode-array op het subdurale gebied van de cortex geplaatst, terwijl de voorpoot, voorpoot, achterpoot, achterpoot, romp en snorharen worden gestimuleerd met een houten stok. De somatosensorisch-opgewekte-potentialen (SEP’s) worden geregistreerd voor somatosensorische gebieden. Dit protocol kan ook worden toegepast op andere hersengebieden, zoals de auditieve, visuele en motorische cortex.
Protocol
Representative Results
Discussion
Het gepresenteerde protocol biedt een diepgaand, stapsgewijs proces dat uitlegt hoe de somatosensorische reacties van ratten kunnen worden geopend en in kaart gebracht met behulp van een grafeenelektrode-array. De door het protocol verkregen gegevens zijn SEP’s die somatosensorische informatie leveren die synaptisch is gekoppeld aan elk lichaamsdeel.
Verschillende aspecten van dit protocol moeten in overweging worden genomen. Bij het extraheren van hersenvocht om hersenoedeem te voorkomen en o…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Dit werk werd ondersteund door Incheon National University (International Cooperative) voor Sunggu Yang.
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).
