使用石墨烯电极阵列进行脑部图谱绘制

皮层图谱是一组局部区域，代表大脑皮层对感觉运动刺激的反应特性。它能够揭示神经网络的空间构型，从而为感知和认知提供预测依据。因此，皮层图谱被用于研究神经系统对外部刺激的响应以及感觉运动信息的处理过程。绘制皮层图谱的方法包括有创性和无创性技术。

使用皮层内电极是用于绘制大脑皮层图谱最常见的侵入性方法之一。由于其高分辨率可能对脑组织造成损伤，因而限制了后续测量的进行。其他脑图谱绘制工具，如脑电图（EEG）、正电子发射断层扫描（PET）、脑磁图（MEG）和功能性磁共振成像（fMRI），属于非侵入性方法，可实现全脑图谱绘制并支持重复取样。

然而，其缺点包括空间时间分辨率较低、存在时间延迟、因未明确的调节性输入导致的误差以及高昂的成本。钙成像和光遗传功能磁共振成像（optogenetic fMRI）等光学技术可实现大范围脑图谱绘制，但由于指示剂的毒性及较低的空间时间分辨率，难以应用于临床。石墨烯电极阵列具有长期的生物相容性和机械柔韧性，能够对结构复杂的脑组织进行稳定的记录。

近期，我们的研究团队开发了一种石墨烯电极阵列，可对皮层表面的神经信号进行高分辨率记录。本方案使用石墨烯电极阵列记录SD大鼠前爪、前肢、后爪、后肢、躯干及胡须刺激诱发的体感诱发电位（SEPs），以构建皮层功能图谱。通过腹腔注射给予氯胺酮和赛拉嗪混合制剂，氯胺酮剂量为90毫克/千克，赛拉嗪剂量为10毫克/千克。

为在整个手术过程中维持所需的麻醉深度，若大鼠出现苏醒迹象，可注射氯胺酮（45 毫克/千克）与赛拉嗪（5 毫克/千克）混合溶液。通过夹捏足趾确认麻醉深度。若大鼠出现颤抖，需等待数分钟，直至其不再产生反应。

使用修剪器将大鼠头部从两眼之间至耳后区域的毛发剃除。然后在眼睛上涂抹眼用软膏。使用耳杆和立体定位适配器，将大鼠头部固定在立体定位仪上。

确保大鼠头部固定妥当。使用浸有聚维酮碘的棉签对剃毛区域进行消毒。用酒精擦拭剃毛区域。

重复灭菌过程三次。然后向头皮注射 0.1 毫升 2% 利多卡因以实现局部麻醉。沿中线做一道 2 至 3 厘米长的切口，并将头皮向两侧拉开，以暴露颅骨。

用蚊式钳夹住头皮以暴露颅骨。用镊子刮擦颅骨表面，去除骨膜。沿直线朝向人字缝方向，通过撕开枕骨后缘的肌肉，定位枕骨大孔。

使用显微镜近距离观察小脑延髓池。轻柔地切开小脑延髓池。撕开小脑延髓池后，脑脊液会流出。

使用盘绕的无菌纱布引流脑脊液，使脑组织下沉。根据前囟的位置，按照预设的立体定位坐标标记石墨烯电极的放置位置。体感皮层位于右侧半球颅骨前囟后方3毫米、右侧6毫米处。

根据立体定位坐标标记的区域进行钻孔。使用骨钳去除颅骨。将棉签插入26号针头中。

将针头弯曲至90度。为去除硬脑膜，使用弯针创建一个小孔。向上提起硬脑膜，将镊子插入该孔中，然后用剪刀剪开硬脑膜或用镊子撕开。

用生理盐水浸湿的无菌纱布覆盖在体感皮层上，以防止皮层干燥。通过滴加生理盐水溶液，将石墨烯多电极阵列无损地分离。移除连接器上参考电极和接地导线的外层包覆物。

为建立用于成像的石墨烯多电极阵列，将头级放大器与连接器相连。将石墨烯电极阵列与连接器相连。将接口电缆插入记录控制器中。

将石墨烯多电极阵列与连接器复合物连接至接口电缆，然后将石墨烯多电极阵列复合物固定在立体定位仪机械臂上。根据预设的立体定位坐标，将石墨烯电极阵列放置于体感皮层。

将参考电极置于枕骨后方的组织中，然后将接地线连接至接地的光学平台。打开记录软件，将采样率设置为 30 千赫兹，然后点击“确定”按钮。

设置60赫兹陷波滤波器以去除电源噪声。使用细棒弯曲胡须。通过数据采集系统记录所需时长的神经信号。

这些信号是通过刺激胡须获得的神经信号。其他身体部位也可采用相同方式刺激以记录体感诱发电位（SEPs）。打开名为 read_Intan_RHS2000 的 MATLAB 代码文件。

单击运行按钮。选择录制文件，单击该文件，然后等待文件读取完成。输入命令 plot 以创建二维线图。

选择对刺激产生反应的代表性峰信号，通过测量最大值和最小值来计算体感诱发电位（SEP）的幅值。根据体感诱发电位的幅值，使用不同深浅的颜色对等级进行着色，从而获得拓扑图。石墨烯电极阵列位于左侧。

所有电极之间的基底上均有通孔。这些孔有助于电极与大脑皮层保持牢固接触。右侧图像显示了电极阵列在皮层上的位置。

左侧以大鼠的形状展示了刺激大鼠身体不同部位所引起的各部位依赖性神经反应的比率。每个身体部位用不同的颜色表示。由此构成了体感皮层图谱。

右侧的下图展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。每个彩色方框代表不同身体部位在30个通道上的反应。上方的图展示了利用石墨烯电极阵列在体感皮层表面检测到的局部场电位（LFPs）。

颜色条显示，较大的振幅由更深的颜色阴影表示，每种颜色代表不同的身体部位。该图根据颜色条中的色阶来调整振幅。此啮齿类动物的体感小人图是根据前述结果绘制而成。

某个身体部位的振幅越大，其在体感小人图（homonculus）上的表示就越大。下图展示了从各个身体部位采集的局部场电位（LFP）的独立数据，颜色条反映了所检测到的LFP振幅的变化情况。

该操作步骤中有若干注意事项。在移除脑脊液时，实验人员应小心避免触碰脑干或脊髓。此步骤需要练习。

啮齿类动物的触须已发育到足以感知触须偏转的方向、刺激强度以及受刺激触须的位置。因此，在本实验方案中，触须的刺激应保持方向和强度恒定。其他身体部位的刺激也应保持一致。

本方案的局限性在于，由于石墨烯电极阵列安装在皮层表面，因此无法记录深部脑区结构中诱发的信号。因此，实验者无法确定柱状网络在神经反应方面的层次化组织方式。尽管如此，若实验者改变电极阵列放置的多个区域，该方案仍可进一步应用。

例如，如果实验者将电极放置在听觉或视觉皮层以提取听觉和视觉信息，则可以获得听觉或视觉图谱。此外，该方案还可扩展应用于石墨烯多电极阵列的慢性植入。