使用石墨烯电极阵列进行脑映射
2023年10月20日
我们提出了一种基于石墨烯阵列的脑映射程序，以减少侵入性并提高时空分辨率。基于石墨烯阵列的表面电极表现出长期的生物相容性、机械灵活性和在卷曲大脑中用于大脑映射的适用性。该协议允许同时和顺序构建多种形式的感官图谱。
皮质图是一组局部斑块，代表大脑皮层中对感觉运动刺激的反应特性。它可以发现神经网络的空间形成，从而为感知和认知提供预测。因此，皮质图用于研究来自外部刺激的神经反应和感觉运动信息的处理创建皮质图是侵入性和非侵入性的方法。
使用皮质内电极是用于绘制大脑皮层的最常见的侵入性方法之一。由于它可以损害大脑的高分辨率，因此无法进行进一步的测量。替代的脑图绘制工具，如EEG，PET，MEG，fMRI，是非侵入性方法，允许全脑映射和重复采样。
然而，一些缺点是空间时间分辨率低、时间滞后、由于未指定的调制输入引起的误差和过高的成本。钙成像和光遗传学功能磁共振成像等光学技术可提供大规模的脑映射，但由于指示剂毒性和低时空分辨率，在临床上没有益处。石墨烯电极阵列表现出长期的生物相容性和机械灵活性，可提供卷曲大脑的稳定记录。
最近，我们小组开发了一种石墨烯电极阵列，可为皮质表面的神经信号提供高分辨率记录。该协议使用石墨烯电极阵列记录来自SD大鼠前爪，前肢，后爪，后肢，躯干和胡须的SEP，以创建皮质图。腹膜内注射氯胺酮和甲苯噻嗪混合物，氯胺酮每公斤90毫克，甲苯噻嗪每公斤10毫克。
为了在整个手术过程中保持所需的麻醉深度，如果大鼠出现觉醒迹象，则注射每公斤 45 毫克氯胺酮和每公斤 5 毫克甲苯噻嗪鸡尾酒。捏住脚趾以确认麻醉深度。如果老鼠颤抖，再等几分钟，直到它没有反应。
使用修剪器从眼睛之间的空间到耳朵后部剃掉老鼠头上的皮毛。然后将眼药膏涂在眼睛上。使用耳杆和立体定位适配器，将大鼠的头部固定在立体定位装置上。
确保老鼠的头部固定正确。用聚维酮浸泡的棉花交换对剃光区域进行消毒。用酒精擦洗剃光的区域。
重复灭菌过程三次。然后在头皮中注射0.1毫升2%利多卡因，诱导局部麻醉。创建一个两到三厘米的中线切口，横向拉开头皮以露出头骨。
用蚊钳夹住头皮，露出头骨。首先用镊子刮擦颅骨表面来去除骨膜。在朝向λ的直线上，通过撕裂后缘枕骨后面的肌肉来定位胸骨大区。
使用显微镜近距离观察大池。轻轻切开水池。撕裂大池后，脑脊液流出。
用盘绕的无菌纱布排出脑脊液，使大脑下沉。根据前膛的位置，根据预定义的立体定位坐标标记石墨烯电极的放置位置。躯体感觉皮层位于右半球颅骨前侧轴 3 毫米处，右侧侧向 6 毫米处。
根据立体定位坐标钻标记的区域。用骨头去除颅骨。将棉签插入 26 花哨的针头中。
将针弯曲至90度。要去除硬脑膜，请使用弯曲的针创建一个孔。向上提起硬脑膜，将镊子插入该孔中，然后继续用剪刀切割硬脑膜或用镊子撕裂。
将用生理盐水弄湿的无菌纱布附着在躯体感觉皮层上，以防止皮层变干。通过应用盐溶液分离石墨烯多电极阵列而不会造成任何损坏。从连接器上拆下参考线和接地线的外壳。
要设置石墨烯多电极阵列以进行映射，请将头部平台与连接器连接。将石墨烯电极阵列与连接器连接。将接口电缆插入录音控制器。
将石墨烯多电极阵列和连接器复合体连接到接口电缆。然后将石墨烯多电极阵列复合物固定在立体定位臂上。根据预定义的立体定位坐标将石墨烯电极阵列放置在体感皮层上。
将参考线放在枕骨后面的组织中。然后将地线连接到接地的光学工作台。打开录音软件并将采样率设置为 30 千赫兹，然后单击 OK 按钮。
设置 60 赫兹陷波滤波器以消除电源噪声。用细棍弯曲胡须。通过数据采集系统记录所需时间的神经信号。
这些信号是通过对胡须的刺激获得的神经信号。其他身体部位也以同样的方式刺激记录标准必要专利。打开名为 read_Intan_RHS2000 文件的 MATLAB 代码。
单击运行按钮。选择录制文件并单击该文件，然后等待文件被读取。输入命令图以创建 2D 线图。
选择响应刺激的代表性峰值信号，并通过测量最大值和最小值来计算SEP的幅度。根据SEP的振幅，用不同的颜色阴影对等级进行着色，从而获得地形图。石墨烯电极阵列在左边。
所有电极之间都有基板的通孔。这些孔有助于电极与皮层保持牢固的接触。在右边，图像显示了皮层上的电极阵列。
在左边，由刺激引起的每个位置依赖性神经反应对大鼠身体不同部位的比率以大鼠的形状显示。每个身体部位都用不同的颜色表示。这将配置躯体感觉皮层图。
在右图上，下图显示了通过放置在皮层表面的多通道石墨烯电极获得的刺激特异性反应。每个彩色框代表不同身体部位在 30 个通道上的响应。上图表示使用石墨烯电极阵列在体感皮层表面检测到的LFP。
颜色条显示较大的振幅由较深的颜色阴影表示，每种颜色表示不同的身体部位。该图根据颜色条中的阴影弯曲振幅。啮齿动物的这个人类是使用刚才解释的结果创建的。
某个身体部位的振幅越大，它在同胞体上的显示就越大。下图代表了从每个身体部位收集的LFP的单独数据。它表示基于颜色条检测到的LFP的不同振幅。
此过程有几种预防措施。在去除脑脊液时，实验者应注意不要触摸脑干或脊髓。这一步需要练习。
啮齿动物的胡须发育到足以感知偏转方向、刺激强度和被刺激的胡须的位置。这就是为什么该协议应以恒定的方向和强度刺激晶须的原因。其他身体部位也应持续刺激。
该协议的局限性在于，当石墨烯电极阵列安装在皮质表面上时，无法记录深部大脑结构中诱发的信号。因此，实验者无法确定列式网络是如何在神经反应方面分层组织的。尽管如此，如果实验者改变放置电极阵列的多个区域，则可以进一步应用该协议。
例如，如果实验者将电极放在听觉或视觉皮层上以提取听觉和视觉信息，他们可以获得听觉或视觉图。此外，该协议可以扩展到石墨烯多电极阵列的慢性植入。
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概述
本研究提出了一种基于石墨烯阵列的脑图谱绘制程序，该程序在提高时空分辨率的同时最大限度地降低了侵入性。石墨烯电极阵列展示了长期的生物相容性和机械灵活性，使其适合记录复杂脑区的神经信号。
关键研究组成部分
科学领域
- 神经科学
- 电生理学
- 脑图谱技术
背景
- 皮层图谱识别感觉运动刺激的响应特性。
- 传统方法包括侵入性（皮层内电极）和非侵入性（EEG、PET、MEG、fMRI）技术，每种方法都有其局限性。
- 石墨烯电极阵列是一种新型解决方案，它结合了高分辨率记录而没有显著的组织损伤。
研究目的
- 开发一种使用石墨烯电极阵列创建皮层图谱的方法，该方法侵入性更低且更有效。
- 展示记录不同身体部位感觉诱发电位（SEPs）的能力。
使用的方法
- 使用石墨烯电极阵列在SD大鼠的皮层表面记录神经信号。
- 在整个手术过程中维持麻醉，并为电极放置详细列出了谨慎的手术措施。
- 该设置包括将石墨烯阵列连接到记录系统以有效获取数据。
主要结果
- 石墨烯电极阵列允许稳定、高分辨率的SEPs记录。
- 成功从前爪、前肢、后爪、后肢、躯干和胡须记录了信号。
- 基于记录的SEPs的振幅生成了地形图，揭示了体感皮层的空间组织。
结论
- 本研究展示了石墨烯电极阵列在最小侵入性下进行详细脑图谱绘制的潜力。
- 该方法能够同时从多个感觉区域记录数据，增强了我们对皮层图谱的理解。
常见问题
Executive Industry Relevance
High-resolution cortical mapping using graphene electrode arrays addresses the persistent challenge of balancing spatial precision with biocompatibility in neurophysiological research. This technology enables reliable, minimally invasive acquisition of neural activity maps, supporting predictive confidence in early CNS target validation and mechanistic de-risking. Its scalability and adaptability across cortical regions position it as a reusable platform for translational neuroscience and preclinical model development.
Strategic Applications in Biopharma R&D
Early Discovery & Target Validation
- Enables precise mapping of neural response properties to sensorimotor stimuli for functional target validation.
- Supports mechanistic de-risking by clarifying spatial organization of neural networks in disease-relevant systems.
- Facilitates predictive confidence in CNS target selection through quantitative, location-dependent neural readouts.
Screening & Assay Development
- Provides validated, high-resolution electrophysiological systems for downstream compound screening workflows.
- Delivers reproducible, quantitative sensory evoked potential (SEP) measurements for assay standardization.
- Enables platform reuse across somatosensory, auditory, visual, and motor cortex mapping applications.
Translational & Preclinical Research
- Aligns with translational biomarker strategies by generating topographic maps relevant to preclinical CNS models.
- Supports continuity from discovery through preclinical validation by enabling chronic implantation and longitudinal studies.
- Reduces biological risk in CNS programs by minimizing tissue damage and maximizing data fidelity.
Pipeline & Workflow Integration
This graphene electrode array method integrates into the discovery-to-preclinical continuum, enabling robust hypothesis testing and quantitative neural mapping for CNS programs.
- Discovery Biology: Supports spatially resolved hypothesis testing and pathway clarification in cortical circuits.
- Screening: Delivers reproducible, quantitative SEP outputs for comparative analysis of experimental conditions.
- Analytics: Provides high SNR, amplitude-based topographic maps for cross-condition and cross-region comparisons.
- Translational Research: Facilitates biomarker alignment and preclinical model validation in CNS research.
- Enterprise Reuse: Offers a scalable, minimally invasive platform adaptable to multiple cortical targets and study designs.
Operational & Enterprise Impact
- Scientific Value: Increases predictive confidence and reduces mechanistic ambiguity in CNS target validation.
- Operational Value: Enhances standardization, reproducibility, and scalability of neural mapping workflows.
- Strategic Value: Improves go/no-go decision quality and capital efficiency by reducing late-stage biological risk.
- Portfolio Impact: Enables risk-adjusted prioritization and advancement of CNS discovery programs.
Implementation Considerations
- Requires expertise in stereotaxic surgery and electrophysiological data acquisition.
- Demands specialized graphene electrode arrays and compatible recording infrastructure.
- Necessitates rigorous cross-team standardization of stimulation protocols and data analysis.
- Adaptable across cortical regions but limited to surface neural activity; deep structure mapping is not supported.
- Consistent stimulus delivery and careful surgical technique are critical for reproducibility and data quality.
Biopharma FAQs
Chapters in this video
0:02
Introduction
1:47
Animal preparation for surgery
2:33
Surgery for cortical surface exposure
4:58
Prepare a graphene electrode array that is connected to the recording system
6:12
Physical stimulation and recording SEPs for mapping
6:46
SEP measurement for cortical mapping
7:36
Representative Results
9:17
Conclusion
