Method Article

رسم خرائط الدماغ باستخدام مصفوفة أقطاب الجرافين

DOI:

10.3791/64910

⸱

October 20th, 2023

 ,  ,  ,  ,  , 
1Department of Nano-Bioengineering, Incheon National University

* These authors contributed equally

In This Article

Summary

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

نقدم إجراء رسم خرائط الدماغ القائم على مصفوفة الجرافين لتقليل الغزو وتحسين الدقة الزمانية المكانية. تظهر الأقطاب الكهربائية السطحية القائمة على صفيف الجرافين توافقا حيويا طويل المدى ومرونة ميكانيكية وملاءمة لرسم خرائط الدماغ في الدماغ المعقد. يسمح هذا البروتوكول ببناء أشكال متعددة من الخرائط الحسية في وقت واحد وبالتتابع.

Abstract

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

تمثل الخرائط القشرية التنظيم المكاني للاستجابات العصبية المعتمدة على الموقع للمنبهات الحسية الحركية في القشرة الدماغية ، مما يتيح التنبؤ بالسلوكيات ذات الصلة من الناحية الفسيولوجية. تم استخدام طرق مختلفة ، مثل الأقطاب الكهربائية المخترقة ، وتخطيط كهربية الدماغ ، والتصوير المقطعي بالإصدار البوزيتروني ، وتصوير الدماغ المغناطيسي ، والتصوير بالرنين المغناطيسي الوظيفي ، للحصول على خرائط قشرية. ومع ذلك ، فإن هذه الطرق محدودة بسبب ضعف الدقة الزمانية المكانية ، وانخفاض نسبة الإشارة إلى الضوضاء (SNR) ، وارتفاع التكاليف ، وعدم التوافق الحيوي أو التسبب في أضرار مادية للدماغ. تقترح هذه الدراسة طريقة رسم الخرائط الحسية الجسدية القائمة على مصفوفة الجرافين كسمة من سمات تخطيط الكهربية التي توفر توافقا حيويا فائقا ، ودقة زمانية مكانية عالية ، ونسبة إشارة إلى الضوضاء مرغوبة ، وتقليل تلف الأنسجة ، والتغلب على عيوب الطرق السابقة. أظهرت هذه الدراسة جدوى مصفوفة أقطاب الجرافين لرسم الخرائط الحسية الجسدية في الفئران. يمكن تطبيق البروتوكول المقدم ليس فقط على القشرة الحسية الجسدية ولكن أيضا على القشرة الأخرى مثل القشرة السمعية والبصرية والحركية ، مما يوفر تقنية متقدمة للتنفيذ السريري.

Introduction

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

الخريطة القشرية هي مجموعة من البقع المحلية التي تمثل خصائص الاستجابة للمنبهات الحسية الحركية في القشرة الدماغية. إنها تكوين مكاني للشبكات العصبية وتمكن من التنبؤ بالإدراك والإدراك. لذلك ، تعد الخرائط القشرية مفيدة في تقييم الاستجابات العصبية للمنبهات الخارجية ومعالجة المعلومات الحسيةالحركية 1،2،3،4. تتوفر الطرق الغازية وغير الغازية لرسم الخرائط القشرية. تتضمن إحدى الطرق الغازية الأكثر شيوعا استخدام أقطاب كهربائية داخل القشرة (أو مخترقة) لرسم خرائط5،6،7،8.

واجه تقييم الخرائط القشرية عالية الدقة عند الطلب باستخدام أنقيب كهربائية مخترقة العديد من العقبات. هذه الطريقة شاقة للغاية للحصول على خريطة لائقة وغازية للغاية بحيث لا يمكن تنفيذها للاستخدام السريري ، مما يحظر المزيد من التطوير. اكتسبت التقنيات الحديثة مثل تخطيط كهربية الدماغ (EEG) والتصوير المقطعي بالإصدار البوزيتروني (PET) وتخطيط الدماغ المغناطيسي (MEG) والتصوير بالرنين المغناطيسي الوظيفي (fMRI) شعبية لأنها أقل توغلا وقابلة للتكرار. ومع ذلك ، نظرا لتكاليفها الباهظة وسوء حلها ، يتم استخدامها في عدد محدود من الحالات9،10،11. في الآونة الأخيرة ، جذبت الأقطاب الكهربائية السطحية المرنة ذات موثوقية الإشارة الفائقة اهتماما كبيرا. تظهر الأقطاب الكهربائية السطحية القائمة على الجرافين التوافق الحيوي والمرونة الميكانيكية على المدى الطويل ، مما يوفر تسجيلات مستقرة في الدماغ المعقد12،13،14،15،16. طورت مجموعتنا مؤخرا مصفوفة متعددة القنوات قائمة على الجرافين للتسجيل عالي الدقة والتحفيز العصبي الخاص بالموقع على السطح القشري. تتيح لنا هذه التقنية تتبع التمثيلات القشرية للمعلومات الحسية لفترة طويلة.

توضح هذه المقالة الخطوات المتبعة في الحصول على خريطة دماغية للقشرة الحسية الجسدية باستخدام مجموعة متعددة الأقطاب من الجرافين مكونة من 30 قناة. لقياس نشاط الدماغ ، يتم وضع مجموعة قطب كهربائي من الجرافين على المنطقة تحت الجافية من القشرة ، في حين يتم تحفيز مقدمة القدم ، والأطراف الأمامية ، ومخلب الخلف ، والطرف الخلفي ، والجذع ، والشعيرات بعصا خشبية. يتم تسجيل الإمكانات الحسية الجسدية (SEPs) للمناطق الحسية الجسدية. يمكن أيضا تطبيق هذا البروتوكول على مناطق الدماغ الأخرى ، مثل القشرة السمعية والبصرية والحركية.

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Protocol

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

تمت الموافقة على جميع إجراءات التعامل مع الحيوانات من قبل اللجنة المؤسسية لرعاية واستخدام الحيوانات بجامعة إنتشون الوطنية (INU-ANIM-2017-08).

1. إعداد الحيوان للجراحة

ملاحظة: استخدم Sprague Dawley Rat (8-10 أسابيع) دون التحيز الجنسي لهذه التجربة.

  1. تخدير الجرذ ب 90 ملغم/كغ من الكيتامين و10 ملغ/كغ من كوكتيل الزيلازين داخل الصفاق. للحفاظ على عمق التخدير المطلوب طوال الجراحة ، يجب توفير 45 مجم / كجم من الكيتامين و 5 مجم / كجم من كوكتيل الزيلازين عندما يظهر الجرذ علامات الاستيقاظ.
  2. تأكد من أن الجرذ يخضع لتخدير عميق وتحقق بانتظام من انعكاسات الجسم مثل قرصة إصبع القدم وقرصة الذيل ومنعكس القرنية.
  3. حلق الفراء بين العينين والجزء الخلفي من الأذنين باستخدام أداة تشذيب.
  4. ضع مرهما للعيون على العينين لمنعهما من الجفاف.

2. جراحة التعرض للسطح القشري

  1. إصلاح رأس الفئران على جهاز التجسيم مع محول مجسم. للحفاظ على درجة حرارة الجسم 37 درجة مئوية أثناء الجراحة ، ضع الجرذ على وسادة تسخين يتم التحكم في درجة حرارتها.
  2. تعقيم المنطقة المحلوقة مع الدعك بالتناوب من الكحول واليود البوفيدون ثلاث مرات.
  3. استخدم الملقط للإمساك بفروة الرأس بقوة وحقن 0.1 مل من الليدوكائين (2٪) مع حقنة مباشرة في فروة الرأس للحث على التخدير الموضعي في منطقة الجراحة.
  4. قم بعمل شق خط الوسط بطول 2-3 سم بمشرط واسحب فروة الرأس لكشف الجمجمة.
  5. المشبك فروة الرأس مع ملقط البعوض لفضح الجمجمة.
  6. خدش سطح الجمجمة بالملقط لإزالة السمحاق.
  7. يقوم بلانت بتشريح العضلات فوق الجمجمة القذالية لكشف الصهريج العظيم فوق المحور الموجود أعلى الحبل الشوكي.
  8. شق الصهريج ماجنا بالشفرة لتصريف السائل النخاعي ووضع شاش معقم داخل شق الصهريج الأعظم لامتصاص السائل النخاعي باستمرار لمنع وذمة الدماغ وتقليل الالتهاب.
  9. باستخدام قلم رصاص ، ضع علامة على الجمجمة نافذة مستطيلة بقياس 3 مم في المحور الأمامي الخلفي و 6 مم في الاتجاه الجانبي الأيمن من bregma في نصف الكرة الأيمن.
    ملاحظة: يجب أن تؤمن العلامات مسافة 1 مم من خط الوسط لتجنب تمزق الجيوب الأنفية السهمي العلوي.
  10. حفر المنطقة المحددة وفقا للإحداثيات المجسمة وإزالة الجمجمة مع rongeur العظام.
  11. لإزالة الأم الجافية ، ثني طرف إبرة 26 جم إلى 90 درجة ، وإنشاء ثقب في الأم الجافية ، ورفع الأم الجافية ، وإدخال ملقط في تلك الحفرة ، وتمزيقه بالملقط.
  12. ضع شاشا مبللا بالمحلول الملحي على القشرة الحسية الجسدية لمنعه من الجفاف.

3. إعداد صفيف قطب الجرافين المتصل بنظام التسجيل

  1. قم بإعداد مجموعة قطب كهربائي من الجرافين باستخدام موصل omnetics.
    1. افصل صفيف الجرافين متعدد الأقطاب دون التسبب في تلف عن طريق تطبيق المحلول الملحي.
    2. قم بإزالة الغطاء الخارجي للأسلاك المرجعية والأرضية من الموصل.
  2. قم بتوصيل مرحلة الرأس بصفيف قطب الجرافين بالموصل.
  3. قم بتوصيل كبل الواجهة المرتبط بمرحلة الرأس بنظام التسجيل.
  4. قم بتثبيت مجمع صفيف قطب الجرافين في الذراع المجسم.
  5. لالتقاط الإشارات العصبية من جميع القنوات ، ضع المصفوفة على القشرة الحسية الجسدية دون أي انحناء ، باتباع الإحداثيات المجسمة المحددة مسبقا.
  6. ضع سلكا مرجعيا أسفل الأنسجة خلف العظم القذالي وقم بتوصيل السلك الأرضي بالطاولة البصرية المؤرضة.

4. التحفيز البدني وتسجيل SEPs لرسم الخرائط

  1. افتح برنامج تسجيل الإشارات العصبية.
  2. اضبط بيئة برنامج التسجيل: (1) اضبط معدل أخذ العينات ل SEPs ومرشح الشق (60 أو 50 هرتز ، تردد الطاقة الكهربائية المنزلية) لإزالة الضوضاء من خط الطاقة.
  3. لتعيين الشارب ، ثني الشارب بعصا ناعمة.
  4. كزة باستمرار forepaw ، forelimb ، مخلب خلفي ، و hindlimb ، والجذع بعصا خشبية لرسم خرائط الجسم.
  5. تسجيل الإشارات العصبية في نظام الحصول على البيانات للوقت المحدد.

5. القتل الرحيم للحيوانات

  1. بعد كل إجراءات التسجيل ، التضحية بالفئران مع التخدير باستخدام >5 ٪ isoflurane وإجراء تشريح عنق الرحم.

6. قياس SEP لرسم الخرائط القشرية

  1. افتح MATLAB الذي يحمل الاسم الرمزي read_Intan_RHS2000_file.m لتحليل الإشارة.
    ملاحظة: يمكن تنزيل read_Intan_RHS2000_file.m من "https://intantech.com/downloads.html?tabSelect=Software".
  2. انقر فوق الزر "تشغيل " ، وحدد ملف التسجيل بامتداد اسم الملف ".rhs" ، وانتظر حتى تتم معالجة الملف وقراءته.
  3. أدخل الأمر "plot (t ، amplifier_data ("رقم القناة" ، :))" لإنشاء مخطط خط 2D لبيانات التسجيل ، والعثور على SEPs ، وحساب سعة SEPs في جميع القنوات.
    ملاحظة: أدخل رقم القناة في "رقم القناة". على سبيل المثال ، "plot(t، amplifier_data(1,:))" ينشئ مخطط خط 2D للقناة 1. بالإضافة إلى ذلك ، عندما يحسب المجرب سعة الاستجابة ، اختر الاستجابة المسجلة من كل قناة.
  4. احصل على البيانات عن طريق تلوين الشبكة بلون مختلف وفقا لسعة SEPs.
    ملاحظة: يساعد الأمر MATLAB "imagesc" في الحصول على خريطة طبوغرافية بسرعة أكبر.

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Results

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

يصف هذا البروتوكول كيفية تركيب مصفوفة متعددة القنوات من الجرافين على سطح الدماغ. تم إنشاء الخريطة الحسية الجسدية من خلال اكتساب الاستجابات العصبية للمنبهات الجسدية وحساب سعة الاستجابة. يوضح الشكل 1 مخطط هذه التجربة.

يعرض الشكل 2 أ الخصائص الهيكلية لمصفوفة أقطاب الجرافين. هناك من خلال ثقوب الركيزة بين الأقطاب الكهربائية. تساعد هذه الثقوب القطب على الاتصال بقوة بالسطح القشري (الشكل 2 ب). يساعد الالتصاق القو...

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Discussion

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

يوفر البروتوكول المقدم عملية متعمقة خطوة بخطوة تشرح كيفية الوصول إلى الاستجابات الحسية الجسدية للفئران ورسم خرائطها باستخدام مجموعة أقطاب الجرافين. البيانات المكتسبة من البروتوكول هي SEPs التي توفر معلومات حسية جسدية مرتبطة بشكل متشابك بكل جزء من أجزاء الجسم.

وينبغي النظر في عدة جوانب من هذا البروتوكول. عند استخراج السائل النخاعي لمنع وذمة الدماغ وتخفيف الالتهاب ، من الأهمية بمكان ألا يتلف المجرب جذع الدماغ الموجود أمام الصهريج الكبير.

توفر شعيرات الوجه معلومات حسية...

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Disclosures

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

ليس لدينا ما نكشف عنه.

Acknowledgements

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

تم دعم هذا العمل من قبل جامعة إنتشون الوطنية (التعاونية الدولية) لسونغو يانغ.

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Materials

List of materials used in this article
NameCompanyCatalog NumberComments
حقنة 1 ملKOREAVACCINE CORPORATIONحقن الدواء للتخدير   ؛
حقنة 3 ملKOREAVACCINE CORPORATIONحقن الدواء للتخدير   ؛
أدوات العلوم الدقيقةللعظام16220-14قم بإزالة موصل الجمجمة
Gbrainقم بتوصيل قطب الجرافين إلى
مثقابFALCONطحن لقم ثقب الجمجمة
زرع Osstemطحن الجمجمة ملقط
قزحية Graefe منحني قليلا مسننvubuvudu-02-73010إزالة الأنسجة من الجمجمة أو عقد ممسحة
الجرافين متعدد الأقطاب الصفيفGbrainيسجل إشارات من الخلايا العصبية
isofluraneHana Pharm Corporationتكريس الموضوع
كيتامينيوهان شركةالمستخدمة للتخدير
ليدوكائين (2٪)Daihan Pharmaceutical  التخدير الموضعي
Matlab R2021bMathworksتحليل البيانات برنامج
مرقئ البعوضأدوات العلوم الدقيقة91309-12فروة الرأس
Alconيمنع العين من الجفاف  
تقوم شركةpovidoneبتطهير منطقة الشق
RHS 32ch Stim / Record headstageintan technologiesM4032توصيل الموصل بكابل الواجهة وتحتوي على رقاقة RHS / مكبر للصوت
RHS 6 أقدام (1.8 م) Stim SPI كابلواجهة IntelM3206توصيل قطب الجرافين ببرنامج
RHS Stim / Recordingتقنياتبرامج الحصول على البيانات
RHS التحفيز / تسجيل وحدة التحكمintan تقنياتM4200
محلول ملحيJW مشرط صيدلاني
HammacherHSB 805-03
أداة تجسيميةstoeltingربط الموضوع
معقم تحت الجلد إبرةKOREAVACCINE CORPORATIONتزيل ملقط
نسيج ستيفن ايريسالأم KASCO50-2026قم بإزالة الشفرة الجراحية الأم الجافية
رقم 11FEATHERقم بتقطيع فروة الرأس
الجراحيةالعلومالدقيقة 14090-09قم بتقطيع فروة الرأس وإزالة
تحفيز شعيراتالعصا
زيلازينباير كورياتستخدم للتخدير
الرأس أداة ربط مرهم Green Pharmaceutical Corporation تحكم intan أدوات الخشبية الأم الجافية

References

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,
  1. 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).
  2. 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).
  3. 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).
  4. Lee, M., et al. Graphene-electrode array for brain map remodeling of the cortical surface. NPG Asia Materials. 13 (1), (2021).
  5. 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).
  6. 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).
  7. 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).
  8. 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).
  9. Beniczky, S., Schomer, D. L. Electroencephalography: basic biophysical and technological aspects important for clinical applications. Epileptic Disorders. 22 (6), 697-715 (2020).
  10. Kim, S. G., Richter, W., Uğurbil, K. Limitations of temporal resolution in functional MRI. Magnetic Resonance Medicine. 37 (4), 631-636 (1997).
  11. 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).
  12. 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).
  13. Masvidal-Codina, E., et al. High-resolution mapping of infraslow cortical brain activity enabled by graphene microtransistors. Nature Materials. 18 (3), 280-288 (2019).
  14. Blaschke, B. M., et al. Mapping brain activity with flexible graphene micro-transistors. 2D Materials. 4 (2), 025040(2017).
  15. Park, S. W., et al. Epidural electrotherapy for epilepsy. Small. 14 (30), 1801732(2018).
  16. 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).
  17. 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).
  18. Tchoe, Y., et al. Human brain mapping with multithousand-channel PtNRGrids resolves spatiotemporal dynamics. Science Translational Medicine. 14 (628), (2022).
  19. Wilent, W. B., Contreras, D. Dynamics of excitation and inhibition underlying stimulus selectivity in rat somatosensory cortex. Nature Neuroscience. 8 (10), 1364-1370 (2005).
  20. 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).

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Reprints and Permissions

Request permission to reuse the text or figures of this JoVE article

Request Permission

Tags

Graphene Electrode ArrayBrain MappingCortical MapsSomatosensory CortexNeural Signal RecordingElectrocorticographyStereotaxic SurgeryLocal Field PotentialsHigh Spatiotemporal ResolutionBiocompatible Electrodes

Related Articles