Hjernekartlegging ved hjelp av en grafenelektrodegruppe
Summary
Vi presenterer en grafenmatrisebasert hjernekartleggingsprosedyre for å redusere invasiviteten og forbedre spatiotemporal oppløsning. Graphene array-baserte overflateelektroder utviser langsiktig biokompatibilitet, mekanisk fleksibilitet og egnethet for hjernekartlegging i en kronglete hjerne. Denne protokollen gjør det mulig å konstruere flere former for sensoriske kart samtidig og sekvensielt.
Abstract
Kortikale kart representerer den romlige organiseringen av stedsavhengige nevrale responser på sensorimotoriske stimuli i hjernebarken, noe som muliggjør prediksjon av fysiologisk relevant atferd. Ulike metoder, som penetrerende elektroder, elektroencefalografi, positronemisjonstomografi, magnetoencefalografi og funksjonell magnetisk resonansavbildning, har blitt brukt til å oppnå kortikale kart. Imidlertid er disse metodene begrenset av dårlig spatiotemporal oppløsning, lavt signal-støyforhold (SNR), høye kostnader og ikke-biokompatibilitet eller forårsake fysisk skade på hjernen. Denne studien foreslår en grafenmatrisebasert somatosensorisk kartleggingsmetode som en funksjon av elektrokortikografi som gir overlegen biokompatibilitet, høy spatiotemporal oppløsning, ønskelig SNR, og minimert vevskader, overvinne ulempene ved tidligere metoder. Denne studien demonstrerte muligheten for en grafenelektrodegruppe for somatosensorisk kartlegging hos rotter. Den presenterte protokollen kan brukes ikke bare på den somatosensoriske cortexen, men også til andre cortices som den auditive, visuelle og motoriske cortex, og gir avansert teknologi for klinisk implementering.
Introduction
Et kortikalt kart er et sett med lokale flekker som representerer responsegenskaper til sensorimotoriske stimuli i hjernebarken. De er en romlig dannelse av nevrale nettverk og muliggjør prediksjon for oppfatning og kognisjon. Derfor er kortikale kart nyttige for å evaluere nevrale responser på ytre stimuli og behandle sensorimotorisk informasjon 1,2,3,4. Invasive og ikke-invasive metoder er tilgjengelige for kortikal kartlegging. En av de vanligste invasive metodene innebærer bruk av intrakortikale (eller penetrerende) elektroder for kartlegging 5,6,7,8.
Vurdering av kortikale kart med høy oppløsning ved hjelp av penetrerende elektroder har møtt flere hindringer. Metoden er for arbeidskrevende til å få et anstendig kart og for invasiv til å implementeres for klinisk bruk, og forbyr videre utvikling. Nyere teknologier som elektroencefalografi (EEG), positronemisjonstomografi (PET), magnetoencefalografi (MEG) og funksjonell magnetisk resonansavbildning (fMRI) har vunnet popularitet fordi disse er mindre invasive og reproduserbare. Men gitt deres uoverkommelige kostnader og dårlig oppløsning, brukes de i et begrenset antall tilfeller 9,10,11. Nylig har fleksible overflateelektroder med overlegen signalpålitelighet tiltrukket seg betydelig oppmerksomhet. Grafenbaserte overflateelektroder demonstrerer langsiktig biokompatibilitet og mekanisk fleksibilitet, og gir stabile opptak i en kronglete hjerne 12,13,14,15,16. Vår gruppe har nylig utviklet et grafenbasert flerkanalsarray for høyoppløselig opptak og stedsspesifikk nevrostimulering på kortikal overflate. Denne teknologien lar oss holde styr på de kortikale representasjonene av sensorisk informasjon i en lengre periode.
Denne artikkelen beskriver trinnene som er involvert i å skaffe seg et hjernekart over den somatosensoriske cortex ved hjelp av en 30-kanals grafen multielektrodematrise. For å måle hjernens aktivitet plasseres en grafenelektrodegruppe på cortexens subdurale område, mens forpoten, forbenet, bakpoten, bakbenet, bagasjerommet og værhårene stimuleres med en trepinne. De somatosensorisk fremkalte potensialene (SEP) registreres for somatosensoriske områder. Denne protokollen kan også brukes på andre hjerneområder, for eksempel den auditive, visuelle og motoriske cortex.
Protocol
Representative Results
Discussion
Den presenterte protokollen gir en grundig, trinnvis prosess som forklarer hvordan du får tilgang til og kartlegger de somatosensoriske responsene til rotter ved hjelp av en grafenelektrodematrise. De protokollervervede dataene er SEP-er som gir somatosensorisk informasjon som er synaptisk knyttet til hver kroppsdel.
Flere aspekter ved denne protokollen bør vurderes. Når du ekstraherer cerebrospinalvæske for å forhindre hjerneødem og redusere betennelse, er det avgjørende for eksperimen…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Dette arbeidet ble støttet av Incheon National University (International Cooperative) for 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).
