Картирование мозга с помощью графеновой электродной матрицы
Summary
Мы представляем процедуру картирования мозга на основе графенового массива для снижения инвазивности и улучшения пространственно-временного разрешения. Поверхностные электроды на основе графеновых матриц демонстрируют долгосрочную биосовместимость, механическую гибкость и пригодность для картирования мозга в извитом мозге. Этот протокол позволяет строить несколько форм сенсорных карт одновременно и последовательно.
Abstract
Корковые карты представляют собой пространственную организацию зависящих от местоположения нейронных реакций на сенсомоторные стимулы в коре головного мозга, что позволяет предсказывать физиологически значимое поведение. Для получения карт коры головного мозга использовались различные методы, такие как проникающие электроды, электроэнцефалография, позитронно-эмиссионная томография, магнитоэнцефалография и функциональная магнитно-резонансная томография. Однако эти методы ограничены плохим пространственно-временным разрешением, низким отношением сигнал/шум (SNR), высокой стоимостью, а также небиосовместимостью или физическим повреждением мозга. В этом исследовании предлагается метод соматосенсорного картирования на основе графеновой матрицы в качестве особенности электрокортикографии, который обеспечивает превосходную биосовместимость, высокое пространственно-временное разрешение, желательное отношение сигнал/шум и минимальное повреждение тканей, преодолевая недостатки предыдущих методов. Это исследование продемонстрировало возможность использования графеновой электродной решетки для соматосенсорного картирования у крыс. Представленный протокол может быть применен не только к соматосенсорной коре, но и к другим корам, таким как слуховая, зрительная и моторная кора, обеспечивая передовые технологии для клинической реализации.
Introduction
Корковая карта представляет собой набор локальных участков, представляющих свойства реакции на сенсомоторные стимулы в коре головного мозга. Они представляют собой пространственное образование нейронных сетей и позволяют предсказывать восприятие и познание. Таким образом, корковые карты полезны для оценки нейронных реакций на внешние стимулы и обработки сенсомоторной информации 1,2,3,4. Существуют инвазивные и неинвазивные методы картирования коры головного мозга. Один из наиболее распространенных инвазивных методов предполагает использование интракортикальных (или проникающих) электродов для картирования 5,6,7,8.
Оценка карт коры головного мозга с высоким разрешением с помощью проникающих электродов столкнулась с рядом препятствий. Метод слишком трудоемкий, чтобы получить достойную карту, и слишком инвазивный для клинического использования, что препятствует дальнейшему развитию. Более современные технологии, такие как электроэнцефалография (ЭЭГ), позитронно-эмиссионная томография (ПЭТ), магнитоэнцефалография (МЭГ) и функциональная магнитно-резонансная томография (фМРТ), приобрели популярность, поскольку они менее инвазивны и воспроизводимы. Однако, учитывая их непомерно высокую стоимость и плохое разрешение, они используются в ограниченном числе случаев 9,10,11. В последнее время большое внимание привлекли гибкие поверхностные электроды с превосходной надежностью сигнала. Поверхностные электроды на основе графена демонстрируют долгосрочную биосовместимость и механическую гибкость, обеспечивая стабильные записи в извитом мозге 12,13,14,15,16. Наша группа недавно разработала многоканальный массив на основе графена для записи с высоким разрешением и сайт-специфической нейростимуляции на поверхности коры головного мозга. Эта технология позволяет нам отслеживать корковые представления сенсорной информации в течение длительного периода времени.
В этой статье описываются этапы получения карты мозга соматосенсорной коры с использованием 30-канальной графеновой мультиэлектродной решетки. Для измерения мозговой активности на субдуральную область коры помещают графеновую электродную решетку, а переднюю лапу, переднюю конечность, заднюю лапу, заднюю лапу, заднюю конечность, туловище и усы стимулируют деревянной палочкой. Соматосенсорные вызванные потенциалы (СЭП) регистрируются для соматосенсорных областей. Этот протокол также может быть применен к другим областям мозга, таким как слуховая, зрительная и моторная кора.
Protocol
Representative Results
Discussion
Представленный протокол представляет собой углубленный пошаговый процесс, который объясняет, как получить доступ к соматосенсорным реакциям крыс и отобразить их с помощью графеновой электродной решетки. Данные, полученные протоколом, представляют собой SEP, которые предоставляют сом?…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Эта работа была поддержана Инчхонским национальным университетом (Международный кооператив) для 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).
