Grafen Elektrot Dizisi Kullanarak Beyin Haritalama
Summary
İnvazivliği azaltmak ve uzay-zamansal çözünürlüğü iyileştirmek için grafen dizisi tabanlı bir beyin haritalama prosedürü sunuyoruz. Grafen dizisi tabanlı yüzey elektrotları, kıvrımlı bir beyinde uzun vadeli biyouyumluluk, mekanik esneklik ve beyin haritalaması için uygunluk sergiler. Bu protokol, aynı anda ve sırayla birden fazla duyusal harita biçiminin oluşturulmasına izin verir.
Abstract
Kortikal haritalar, serebral korteksteki sensorimotor uyaranlara konuma bağlı sinirsel tepkilerin uzamsal organizasyonunu temsil eder ve fizyolojik olarak ilgili davranışların tahmin edilmesini sağlar. Kortikal haritaların elde edilmesinde penetran elektrotlar, elektroensefalografi, pozitron emisyon tomografisi, manyetoensefalografi ve fonksiyonel manyetik rezonans görüntüleme gibi çeşitli yöntemler kullanılmıştır. Bununla birlikte, bu yöntemler zayıf uzay-zamansal çözünürlük, düşük sinyal-gürültü oranı (SNR), yüksek maliyetler ve biyouyumsuzluk ile sınırlıdır veya beyinde fiziksel hasara neden olur. Bu çalışma, elektrokortikografinin bir özelliği olarak, üstün biyouyumluluk, yüksek uzay-zamansal çözünürlük, arzu edilen SNR ve en aza indirilmiş doku hasarı sunan ve önceki yöntemlerin dezavantajlarının üstesinden gelen grafen dizisi tabanlı bir somatosensoriyel haritalama yöntemi önermektedir. Bu çalışma, sıçanlarda somatosensoriyel haritalama için bir grafen elektrot dizisinin fizibilitesini göstermiştir. Sunulan protokol sadece somatosensoriyel kortekse değil, aynı zamanda işitsel, görsel ve motor korteks gibi diğer kortekslere de uygulanabilir ve klinik uygulama için ileri teknoloji sağlar.
Introduction
Kortikal harita, serebral korteksteki sensorimotor uyaranlara yanıt özelliklerini temsil eden bir dizi yerel yamadır. Sinir ağlarının uzamsal bir oluşumudur ve algı ve biliş için tahmin sağlarlar. Bu nedenle, kortikal haritalar, dış uyaranlara verilen sinirsel tepkilerin değerlendirilmesinde ve sensorimotor bilgilerin işlenmesindeyararlıdır 1,2,3,4. Kortikal haritalama için invaziv ve noninvaziv yöntemler mevcuttur. En yaygın invaziv yöntemlerden biri, 5,6,7,8’i haritalamak için intrakortikal (veya penetran) elektrotların kullanılmasını içerir.
Penetran elektrotlar kullanarak isteğe bağlı yüksek çözünürlüklü kortikal haritaların değerlendirilmesi çeşitli engellerle karşı karşıya kalmıştır. Yöntem, düzgün bir harita elde etmek için çok zahmetlidir ve klinik kullanım için uygulanamayacak kadar invazivdir, bu da daha fazla gelişmeyi yasaklar. Elektroensefalografi (EEG), pozitron emisyon tomografisi (PET), manyetoensefalografi (MEG) ve fonksiyonel manyetik rezonans görüntüleme (fMRI) gibi daha yeni teknolojiler, daha az invaziv ve tekrarlanabilir oldukları için popülerlik kazanmıştır. Bununla birlikte, engelleyici maliyetleri ve zayıf çözünürlükleri göz önüne alındığında, sınırlı sayıda durumda kullanılırlar 9,10,11. Son zamanlarda, üstün sinyal güvenilirliğine sahip esnek yüzey elektrotları büyük ilgi görmüştür. Grafen bazlı yüzey elektrotları, kıvrımlı bir beyindekararlı kayıtlar sağlayarak uzun vadeli biyouyumluluk ve mekanik esneklik gösterir 12,13,14,15,16. Grubumuz yakın zamanda kortikal yüzeyde yüksek çözünürlüklü kayıt ve bölgeye özgü nörostimülasyon için grafen tabanlı çok kanallı bir dizi geliştirmiştir. Bu teknoloji, duyusal bilginin kortikal temsillerini uzun süre takip etmemizi sağlar.
Bu makale, 30 kanallı bir grafen multielektrot dizisi kullanarak somatosensoriyel korteksin beyin haritasını elde etmeyle ilgili adımları açıklamaktadır. Beyin aktivitesini ölçmek için korteksin subdural bölgesine bir grafen elektrot dizisi yerleştirilirken, ön ayak, ön ayak, arka pençe, arka bacak, gövde ve bıyıklar tahta bir çubukla uyarılır. Somatosensoriyel alanlar için somatosensoriyel uyarılmış potansiyeller (SEP’ler) kaydedilir. Bu protokol işitsel, görsel ve motor korteks gibi diğer beyin bölgelerine de uygulanabilir.
Protocol
Representative Results
Discussion
Sunulan protokol, bir grafen elektrot dizisi kullanarak sıçanların somatosensoriyel tepkilerine nasıl erişileceğini ve haritalanacağını açıklayan derinlemesine, adım adım bir süreç sağlar. Protokolle elde edilen veriler, her bir vücut parçasına sinaptik olarak bağlı somatosensoriyel bilgi sağlayan SEP’lerdir.
Bu protokolün çeşitli yönleri dikkate alınmalıdır. Beyin ödemini önlemek ve iltihabı hafifletmek için beyin omurilik sıvısı çıkarılırken, deneycini…
Divulgations
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Bu çalışma, Sunggu Yang için Incheon Ulusal Üniversitesi (Uluslararası Kooperatif) tarafından desteklenmiştir.
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).
