Mappatura cerebrale utilizzando un array di elettrodi di grafene
Summary
Presentiamo una procedura di mappatura cerebrale basata su array di grafene per ridurre l’invasività e migliorare la risoluzione spazio-temporale. Gli elettrodi di superficie basati su array di grafene mostrano biocompatibilità a lungo termine, flessibilità meccanica e idoneità per la mappatura cerebrale in un cervello contorto. Questo protocollo consente di costruire più forme di mappe sensoriali contemporaneamente e in sequenza.
Abstract
Le mappe corticali rappresentano l’organizzazione spaziale delle risposte neurali dipendenti dalla posizione agli stimoli sensomotori nella corteccia cerebrale, consentendo la previsione di comportamenti fisiologicamente rilevanti. Vari metodi, come gli elettrodi penetranti, l’elettroencefalografia, la tomografia a emissione di positroni, la magnetoencefalografia e la risonanza magnetica funzionale, sono stati utilizzati per ottenere mappe corticali. Tuttavia, questi metodi sono limitati da una scarsa risoluzione spazio-temporale, da un basso rapporto segnale/rumore (SNR), da costi elevati e dalla non biocompatibilità o causano danni fisici al cervello. Questo studio propone un metodo di mappatura somatosensoriale basato su array di grafene come caratteristica dell’elettrocorticografia che offre una biocompatibilità superiore, un’elevata risoluzione spazio-temporale, un SNR desiderabile e un danno tissutale ridotto al minimo, superando gli inconvenienti dei metodi precedenti. Questo studio ha dimostrato la fattibilità di un array di elettrodi di grafene per la mappatura somatosensoriale nei ratti. Il protocollo presentato può essere applicato non solo alla corteccia somatosensoriale ma anche ad altre cortecce come la corteccia uditiva, visiva e motoria, fornendo una tecnologia avanzata per l’implementazione clinica.
Introduction
Una mappa corticale è un insieme di chiazze locali che rappresentano le proprietà di risposta agli stimoli sensomotori nella corteccia cerebrale. Sono una formazione spaziale di reti neurali e consentono la previsione della percezione e della cognizione. Pertanto, le mappe corticali sono utili per valutare le risposte neurali agli stimoli esterni e per elaborare le informazioni sensomotorie 1,2,3,4. Sono disponibili metodi invasivi e non invasivi per la mappatura corticale. Una delle metodiche invasive più comuni prevede l’uso di elettrodi intracorticali (o penetranti) perla mappatura 5,6,7,8.
La valutazione delle mappe corticali ad alta risoluzione su richiesta utilizzando elettrodi penetranti ha incontrato diversi ostacoli. Il metodo è troppo laborioso per ottenere una mappa decente e troppo invasivo per essere implementato per uso clinico, impedendo ulteriori sviluppi. Tecnologie più recenti come l’elettroencefalografia (EEG), la tomografia a emissione di positroni (PET), la magnetoencefalografia (MEG) e la risonanza magnetica funzionale (fMRI) hanno guadagnato popolarità perché sono meno invasive e riproducibili. Tuttavia, dati i loro costi proibitivi e la scarsa risoluzione, vengono utilizzati in un numero limitato di casi 9,10,11. Recentemente, gli elettrodi di superficie flessibili con un’affidabilità del segnale superiore hanno attirato una notevole attenzione. Gli elettrodi di superficie a base di grafene dimostrano biocompatibilità a lungo termine e flessibilità meccanica, fornendo registrazioni stabili in un cervello contorto 12,13,14,15,16. Il nostro gruppo ha recentemente sviluppato un array multicanale a base di grafene per la registrazione ad alta risoluzione e la neurostimolazione sito-specifica sulla superficie corticale. Questa tecnologia ci permette di tenere traccia delle rappresentazioni corticali delle informazioni sensoriali per un periodo prolungato.
Questo articolo descrive i passaggi necessari per acquisire una mappa cerebrale della corteccia somatosensoriale utilizzando un array multielettrodo di grafene a 30 canali. Per misurare l’attività cerebrale, un array di elettrodi di grafene viene posizionato sull’area subdurale della corteccia, mentre la zampa anteriore, l’arto anteriore, la zampa posteriore, l’arto posteriore, il tronco e i baffi vengono stimolati con un bastoncino di legno. I potenziali evocati somatosensoriali (SEP) vengono registrati per le aree somatosensoriali. Questo protocollo può essere applicato anche ad altre aree cerebrali, come la corteccia uditiva, visiva e motoria.
Protocol
Representative Results
Discussion
Il protocollo presentato fornisce un processo approfondito e passo dopo passo che spiega come accedere e mappare le risposte somatosensoriali dei ratti utilizzando un array di elettrodi di grafene. I dati acquisiti dal protocollo sono SEP che forniscono informazioni somatosensoriali che sono sinapticamente collegate a ciascuna parte del corpo.
Diversi aspetti di questo protocollo dovrebbero essere considerati. Quando si estrae il liquido cerebrospinale per prevenire l’edema cerebrale e mitigar…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Questo lavoro è stato sostenuto dall’Università Nazionale di Incheon (International Cooperative) per 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).
