Kartläggning av hjärnan med hjälp av en grafenelektrod
Summary
Vi presenterar en grafenarray-baserad hjärnkartläggningsprocedur för att minska invasiviteten och förbättra den spatiotemporala upplösningen. Grafenbaserade ytelektroder uppvisar långsiktig biokompatibilitet, mekanisk flexibilitet och lämplighet för kartläggning av hjärnan i en invecklad hjärna. Detta protokoll gör det möjligt att konstruera flera former av sensoriska kartor samtidigt och sekventiellt.
Abstract
Kortikala kartor representerar den rumsliga organisationen av platsberoende neurala svar på sensomotoriska stimuli i hjärnbarken, vilket möjliggör förutsägelse av fysiologiskt relevanta beteenden. Olika metoder, såsom penetrerande elektroder, elektroencefalografi, positronemissionstomografi, magnetencefalografi och funktionell magnetresonanstomografi, har använts för att få kortikala kartor. Dessa metoder begränsas dock av dålig spatiotemporal upplösning, lågt signal-brusförhållande (SNR), höga kostnader och icke-biokompatibilitet eller orsakar fysisk skada på hjärnan. Denna studie föreslår en grafenarray-baserad somatosensorisk kartläggningsmetod som en egenskap hos elektrokortikografi som erbjuder överlägsen biokompatibilitet, hög spatiotemporal upplösning, önskvärd SNR och minimerad vävnadsskada, vilket övervinner nackdelarna med tidigare metoder. Denna studie visade genomförbarheten av en grafenelektrod för somatosensorisk kartläggning hos råttor. Det presenterade protokollet kan tillämpas inte bara på den somatosensoriska cortex utan även på andra cortices såsom hörsel-, syn- och motoriska cortex, vilket ger avancerad teknik för klinisk implementering.
Introduction
En kortikal karta är en uppsättning lokala fläckar som representerar svarsegenskaper på sensomotoriska stimuli i hjärnbarken. De är en rumslig formation av neurala nätverk och möjliggör förutsägelse för perception och kognition. Därför är kortikala kartor användbara för att utvärdera neurala svar på externa stimuli och bearbeta sensomotorisk information 1,2,3,4. Invasiva och icke-invasiva metoder finns tillgängliga för kortikal kartläggning. En av de vanligaste invasiva metoderna innebär användning av intrakortikala (eller penetrerande) elektroder för kartläggning av 5,6,7,8.
Att bedöma de högupplösta kortikala kartorna på begäran med hjälp av penetrerande elektroder har stött på flera hinder. Metoden är för mödosam för att få en anständig karta och för invasiv för att implementeras för klinisk användning, vilket förhindrar vidare utveckling. Nyare tekniker som elektroencefalografi (EEG), positronemissionstomografi (PET), magnetencefalografi (MEG) och funktionell magnetisk resonanstomografi (fMRI) har vunnit popularitet eftersom dessa är mindre invasiva och reproducerbara. Men med tanke på deras oöverkomliga kostnader och dåliga upplösning används de i ett begränsat antal fall 9,10,11. På senare tid har flexibla ytelektroder med överlägsen signaltillförlitlighet väckt stor uppmärksamhet. Grafenbaserade ytelektroder uppvisar långsiktig biokompatibilitet och mekanisk flexibilitet, vilket ger stabila registreringar i en invecklad hjärna 12,13,14,15,16. Vår grupp har nyligen utvecklat en grafenbaserad flerkanalsarray för högupplöst inspelning och platsspecifik neurostimulering på den kortikala ytan. Denna teknik gör det möjligt för oss att hålla reda på de kortikala representationerna av sensorisk information under en längre period.
Den här artikeln beskriver stegen för att få en hjärnkarta över den somatosensoriska cortex med hjälp av en 30-kanals grafenmultielektrodmatris. För att mäta hjärnaktiviteten placeras en grafenelektrod på subduralområdet i cortex, medan framtassen, frambenet, baktassen, bakbenet, bålen och morrhåren stimuleras med en träpinne. De somatosensoriska framkallade potentialerna (SEP) registreras för somatosensoriska områden. Detta protokoll kan också tillämpas på andra hjärnområden, såsom hörsel-, syn- och motoriska cortex.
Protocol
Representative Results
Discussion
Det presenterade protokollet ger en djupgående, steg-för-steg-process som förklarar hur man får tillgång till och kartlägger de somatosensoriska reaktionerna hos råttor med hjälp av en grafenelektrod. De protokollinhämtade uppgifterna är SEP:er som ger somatosensorisk information som är synaptiskt kopplad till varje kroppsdel.
Flera aspekter av detta protokoll bör beaktas. Vid extraktion av cerebrospinalvätska för att förhindra hjärnödem och mildra inflammation är det avgöra…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Detta arbete stöddes av Incheon National University (International Cooperative) för 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).
