Brain Mapping mit einem Graphen-Elektroden-Array
Summary
Wir stellen ein Graphen-Array-basiertes Brain-Mapping-Verfahren vor, um die Invasivität zu reduzieren und die räumlich-zeitliche Auflösung zu verbessern. Graphen-Array-basierte Oberflächenelektroden weisen eine langfristige Biokompatibilität, mechanische Flexibilität und Eignung für die Kartierung des Gehirns in einem gewundenen Gehirn auf. Dieses Protokoll ermöglicht es, mehrere Formen von sensorischen Karten gleichzeitig und sequentiell zu erstellen.
Abstract
Kortikale Karten stellen die räumliche Organisation ortsabhängiger neuronaler Reaktionen auf sensomotorische Reize in der Großhirnrinde dar und ermöglichen die Vorhersage physiologisch relevanter Verhaltensweisen. Verschiedene Methoden wie Durchdringungselektroden, Elektroenzephalographie, Positronen-Emissions-Tomographie, Magnetoenzephalographie und funktionelle Magnetresonanztomographie wurden verwendet, um kortikale Karten zu erhalten. Diese Methoden sind jedoch durch eine schlechte raumzeitliche Auflösung, ein niedriges Signal-Rausch-Verhältnis (SNR), hohe Kosten und mangelnde Biokompatibilität eingeschränkt oder verursachen physische Schäden am Gehirn. Diese Studie schlägt eine Graphen-Array-basierte somatosensorische Mapping-Methode als Merkmal der Elektrokortikographie vor, die eine überlegene Biokompatibilität, eine hohe räumliche und zeitliche Auflösung, ein wünschenswertes SNR und eine minimierte Gewebeschädigung bietet und die Nachteile früherer Methoden überwindet. Diese Studie demonstrierte die Machbarkeit eines Graphen-Elektrodenarrays für die somatosensorische Kartierung bei Ratten. Das vorgestellte Protokoll kann nicht nur auf den somatosensorischen Kortex, sondern auch auf andere Kortexe wie den auditiven, visuellen und motorischen Kortex angewendet werden und bietet eine fortschrittliche Technologie für die klinische Umsetzung.
Introduction
Eine kortikale Karte ist eine Reihe von lokalen Flecken, die Reaktionseigenschaften auf sensomotorische Reize in der Großhirnrinde darstellen. Sie sind eine räumliche Formation neuronaler Netze und ermöglichen Vorhersagen für Wahrnehmung und Kognition. Daher sind kortikale Karten nützlich, um neuronale Reaktionen auf externe Reize zu bewerten und sensomotorische Informationen zu verarbeiten 1,2,3,4. Für die kortikale Kartierung stehen invasive und nicht-invasive Methoden zur Verfügung. Eine der häufigsten invasiven Methoden ist die Verwendung von intrakortikalen (oder penetrierenden) Elektroden für die Kartierung 5,6,7,8.
Die Bewertung der hochauflösenden kortikalen On-Demand-Karten mit durchdringenden Elektroden stieß auf mehrere Hindernisse. Die Methode ist zu aufwendig, um eine anständige Karte zu erhalten, und zu invasiv, um sie für den klinischen Einsatz zu implementieren, was eine weitere Entwicklung verbietet. Neuere Technologien wie Elektroenzephalographie (EEG), Positronen-Emissions-Tomographie (PET), Magnetoenzephalographie (MEG) und funktionelle Magnetresonanztomographie (fMRT) haben an Popularität gewonnen, da diese weniger invasiv und reproduzierbar sind. Aufgrund ihrer unerschwinglichen Kosten und ihrer schlechten Auflösung werden sie jedoch in einer begrenzten Anzahl von Fällen verwendet 9,10,11. In jüngster Zeit haben flexible Oberflächenelektroden mit überlegener Signalzuverlässigkeit große Aufmerksamkeit erregt. Oberflächenelektroden auf Graphenbasis zeigen langfristige Biokompatibilität und mechanische Flexibilität und liefern stabile Aufzeichnungen in einem verschlungenen Gehirn 12,13,14,15,16. Unsere Gruppe hat kürzlich ein Graphen-basiertes Mehrkanal-Array für hochauflösende Aufzeichnungen und ortsspezifische Neurostimulation auf der kortikalen Oberfläche entwickelt. Diese Technologie ermöglicht es uns, die kortikalen Repräsentationen sensorischer Informationen über einen längeren Zeitraum zu verfolgen.
In diesem Artikel werden die Schritte beschrieben, die erforderlich sind, um eine Gehirnkarte des somatosensorischen Kortex mit einem 30-Kanal-Graphen-Multielektroden-Array zu erstellen. Um die Gehirnaktivität zu messen, wird ein Graphen-Elektroden-Array auf den subduralen Bereich des Kortex gelegt, während Vorderpfote, Vordergliedmaße, Hinterpfote, Hintergliedmaße, Rumpf und Schnurrhaare mit einem Holzstab stimuliert werden. Die somatosensorisch-evozierten Potentiale (SEPs) werden für somatosensorische Areale erfasst. Dieses Protokoll kann auch auf andere Gehirnbereiche angewendet werden, wie z. B. den auditiven, visuellen und motorischen Kortex.
Protocol
Representative Results
Discussion
Das vorgestellte Protokoll bietet einen detaillierten, schrittweisen Prozess, der erklärt, wie man mit einem Graphen-Elektroden-Array auf die somatosensorischen Reaktionen von Ratten zugreifen und sie abbilden kann. Bei den protokollerfassten Daten handelt es sich um SEPs, die somatosensorische Informationen liefern, die synaptisch mit jedem Körperteil verknüpft sind.
Mehrere Aspekte dieses Protokolls sollten berücksichtigt werden. Bei der Entnahme von Liquor cerebrospinalis zur Vorbeugung…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Diese Arbeit wurde von der Incheon National University (International Cooperative) für Sunggu Yang unterstützt.
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
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