Mapeo cerebral con una matriz de electrodos de grafeno
Summary
Presentamos un procedimiento de mapeo cerebral basado en matrices de grafeno para reducir la invasividad y mejorar la resolución espacio-temporal. Los electrodos de superficie basados en matrices de grafeno exhiben biocompatibilidad a largo plazo, flexibilidad mecánica e idoneidad para el mapeo cerebral en un cerebro enrevesado. Este protocolo permite construir múltiples formas de mapas sensoriales de forma simultánea y secuencial.
Abstract
Los mapas corticales representan la organización espacial de las respuestas neuronales dependientes de la ubicación a los estímulos sensoriomotores en la corteza cerebral, lo que permite la predicción de comportamientos fisiológicamente relevantes. Para obtener mapas corticales se han utilizado diversos métodos, como electrodos penetrantes, electroencefalografía, tomografía por emisión de positrones, magnetoencefalografía y resonancia magnética funcional. Sin embargo, estos métodos están limitados por una resolución espacio-temporal deficiente, una baja relación señal-ruido (SNR), altos costos y falta de biocompatibilidad o daño físico al cerebro. Este estudio propone un método de mapeo somatosensorial basado en matrices de grafeno como una característica de la electrocorticografía que ofrece una biocompatibilidad superior, alta resolución espacio-temporal, SNR deseable y daño tisular minimizado, superando los inconvenientes de los métodos anteriores. Este estudio demostró la viabilidad de una guía de electrodos de grafeno para el mapeo somatosensorial en ratas. El protocolo presentado se puede aplicar no solo a la corteza somatosensorial sino también a otras cortezas como la corteza auditiva, visual y motora, proporcionando tecnología avanzada para la implementación clínica.
Introduction
Un mapa cortical es un conjunto de parches locales que representan las propiedades de respuesta a los estímulos sensoriomotores en la corteza cerebral. Son una formación espacial de las redes neuronales y permiten la predicción de la percepción y la cognición. Por lo tanto, los mapas corticales son útiles para evaluar las respuestas neuronales a estímulos externos y procesar la información sensoriomotora 1,2,3,4. Existen métodos invasivos y no invasivos para el mapeo cortical. Uno de los métodos invasivos más comunes consiste en el uso de electrodos intracorticales (o penetrantes) para el mapeode 5,6,7,8.
La evaluación de los mapas corticales de alta resolución bajo demanda utilizando electrodos penetrantes se ha enfrentado a varios obstáculos. El método es demasiado laborioso para obtener un mapa decente y demasiado invasivo para implementarlo para uso clínico, lo que impide un mayor desarrollo. Las tecnologías más recientes, como la electroencefalografía (EEG), la tomografía por emisión de positrones (PET), la magnetoencefalografía (MEG) y la resonancia magnética funcional (fMRI) han ganado popularidad porque son menos invasivas y reproducibles. Sin embargo, dados sus costos prohibitivos y su escasa resolución, se utilizan en un número limitado de casos 9,10,11. Recientemente, los electrodos de superficie flexible con una fiabilidad de señal superior han atraído una atención considerable. Los electrodos de superficie basados en grafeno demuestran biocompatibilidad a largo plazo y flexibilidad mecánica, proporcionando registros estables en un cerebro enrevesado 12,13,14,15,16. Nuestro grupo ha desarrollado recientemente una matriz multicanal basada en grafeno para el registro de alta resolución y la neuroestimulación específica del sitio en la superficie cortical. Esta tecnología nos permite realizar un seguimiento de las representaciones corticales de la información sensorial durante un período prolongado.
Este artículo describe los pasos involucrados en la adquisición de un mapa cerebral de la corteza somatosensorial utilizando una matriz de grafeno multielectrodo de 30 canales. Para medir la actividad cerebral, se coloca una matriz de electrodos de grafeno en el área subdural de la corteza, mientras que la pata delantera, la extremidad anterior, la pata trasera, la extremidad posterior, el tronco y los bigotes se estimulan con un palo de madera. Los potenciales evocados somatosensoriales (SEP) se registran para las áreas somatosensoriales. Este protocolo también se puede aplicar a otras áreas del cerebro, como la corteza auditiva, visual y motora.
Protocol
Representative Results
Discussion
El protocolo presentado proporciona un proceso en profundidad, paso a paso, que explica cómo acceder y mapear las respuestas somatosensoriales de las ratas utilizando una matriz de electrodos de grafeno. Los datos adquiridos por el protocolo son SEP que proporcionan información somatosensorial que está vinculada sinápticamente a cada parte del cuerpo.
Deben tenerse en cuenta varios aspectos de este protocolo. Al extraer líquido cefalorraquídeo para prevenir el edema cerebral y mitigar la…
Divulgations
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Este trabajo fue apoyado por la Universidad Nacional de Incheon (Cooperativa Internacional) para 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).
