Name: 使用石墨烯电极阵列进行脑映射 (视频) | JoVE Journal
Uploaded: 2023-10-20T14:45:00.000+00:00
Duration: 10 min 32 s
Description: 了解使用石墨烯电极阵列进行脑映射的方法，该技术可在SD大鼠皮层表面稳定记录体感诱发电位，实现高时空分辨率的同时保持长期生物相容性和机械柔韧性。

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本工作由仁川国立大学（国际协作）为Sunggu Yang提供支持。

所有动物操作程序均经仁川国立大学机构动物护理和使用委员会批准（INU-ANIM-2017-08）。
1. 手术动物准备
注意：本实验使用无性别偏倚的 Sprague Dawley 大鼠（8–10 周龄）。
<ol>
	<li>通过腹腔注射给予大鼠90 mg/kg的氯胺酮和10 mg/kg的赛拉嗪混合物进行麻醉。在整个手术过程中，当大鼠出现苏醒迹象时，追加45 mg/kg氯胺酮和5 mg/kg赛拉嗪混合物，以维持所需的麻醉深度。</li>
	<li>确认大鼠处于深度麻醉状态，并定期检查其身体反射，如脚趾夹捏反射、尾部夹捏反射和角膜反射。</li>
	<li>使用修剪器剃除大鼠两眼之间至耳后区域的毛发。</li>
	<li>在眼睛上涂抹眼用软膏，防止角膜干燥。</li>
</ol>
2. 皮层表面暴露手术
<ol>
	<li>使用立体定位适配器将大鼠头部固定在立体定位仪上。手术期间，将大鼠置于温控加热垫上，以维持其体温在 37 °C。</li>
	<li>用酒精和聚维酮碘交替擦拭剃毛区域，重复三次以进行消毒。</li>
	<li>用镊子牢固夹住头皮，用注射器将 0.1 mL 利多卡因（2%）直接注射至头皮，以实现手术区域的局部麻醉。</li>
	<li>使用手术刀沿中线做一条 2–3 cm 长的切口，分开头皮以暴露颅骨。</li>
	<li>用蚊式钳夹住头皮，充分暴露颅骨。</li>
	<li>用镊子刮擦颅骨表面，以去除骨膜。</li>
	<li>钝性分离枕骨区域的肌肉，暴露位于脊髓上方枢椎水平的延髓池。</li>
	<li>用刀片切开延髓池以引流脑脊液，并将无菌纱布置入延髓池切口内，持续吸收脑脊液，以防止脑水肿并减轻炎症反应。</li>
	<li>使用铅笔在颅骨上标记一个矩形窗口，该窗口从前后方向距右侧半球前囟 3 mm，向右外侧方向 6 mm。 
	注意：标记时必须确保距离中线 1 mm，以避免损伤上矢状窦。</li>
	<li>根据立体定位坐标钻孔，并用骨钳去除标记区域的颅骨。</li>
	<li>为去除硬脑膜，将 26 G 针头尖端弯成 90°，在硬脑膜上穿孔，挑起硬脑膜，将镊子插入孔中，用镊子撕除硬脑膜。</li>
	<li>将生理盐水浸湿的纱布覆盖于体感皮层，防止其干燥。</li>
</ol>
3. 制备连接至记录系统的石墨烯电极阵列
<ol>
	<li>准备带有Omnetics连接器的石墨烯电极阵列。
	<ol>
		<li>通过施加生理盐水溶液，无损伤地分离石墨烯多电极阵列。</li>
		<li>移除连接器上参考电极和接地导线的外层包覆。</li>
	</ol>
	</li>
	<li>将前置放大器与石墨烯电极阵列连接至连接器。</li>
	<li>将连接前置放大器的接口电缆插入记录系统。</li>
	<li>将石墨烯电极阵列组件固定在立体定位臂上。</li>
	<li>根据预先确定的立体定位坐标，将阵列无弯曲地置于体感皮层，以从所有通道采集神经信号。</li>
	<li>将参考导线置于枕骨后方的组织下方，并将接地导线连接至接地的光学平台。</li>
</ol>
4. 物理刺激与记录 SEP 以进行定位
<ol>
	<li>打开神经信号记录软件。</li>
	<li>设置记录软件环境：（1）设定体感诱发电位（SEPs）的采样率和陷波滤波器（60 Hz 或 50 Hz，即家用电源频率），以去除电源线噪声。</li>
	<li>进行须毛定位时，使用细棒弯曲须毛。</li>
	<li>使用木棒持续轻戳前爪、前肢、后爪、后肢和躯干，进行躯体定位。</li>
	<li>在数据采集系统中记录指定时间的神经信号。</li>
</ol>
5. 动物安乐死
<ol>
	<li>完成所有记录步骤后，使用&#62;5% 异氟烷麻醉处死大鼠，并进行颈椎解剖。</li>
</ol>
6. 用于皮层定位的 SEP 测量
<ol>
	<li>打开 MATLAB 代码，文件名为 read_Intan_RHS2000_file.m，用于信号分析。 
	注意：read_Intan_RHS2000_file.m 可从 &#34;https://intantech.com/downloads.html?tabSelect=Software” 下载。</li>
	<li>点击 运行 按钮，选择文件扩展名为 &#34;.rhs&#34; 的记录文件，并等待文件完成处理和读取。</li>
	<li>输入命令 &#34;plot (t, amplifier_data(&#34;通道编号&#34;,:))&#34;，以生成记录数据的二维线图，识别体感诱发电位（SEPs），并计算所有通道中 SEPs 的幅值。 
	注意：在 &#34;通道编号&#34;处输入具体的通道编号。例如，&#34;plot(t, amplifier_data(1,:))&#34; 将生成第 1 通道的二维线图。此外，在计算反应幅值时，需选择从每个通道记录到的反应信号。</li>
	<li>根据 SEPs 幅值的不同，使用不同色调对网格进行着色，以获取数据可视化结果。 
	注意：使用 MATLAB 命令 &#34;imagesc&#34; 可更快速地生成地形图。</li>
</ol>

<ol><li>Leergaard, T. B., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Rat+somatosensory+cerebropontocerebellar+pathways%3A+spatial+relationships+of+the+somatotopic+map+of+the+primary+somatosensory+cortex+are+preserved+in+a+three-dimensional+clustered+pontine+map%5BTitle%5D)+AND+%22Journal+of+Comparative+Neurology%22%5BJournal%5D)">Rat somatosensory cerebropontocerebellar pathways: spatial relationships of the somatotopic map of the primary somatosensory cortex are preserved in a three-dimensional clustered pontine map.</a> Journal of Comparative Neurology. 422 (2), 246-266 (2000).</li>
<li>Craner, S. L., Ray, R. H. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Somatosensory+cortex+of+the+neonatal+pig%3A+I.+Topographic+organization+of+the+primary+somatosensory+cortex+%28SI%29%5BTitle%5D)+AND+%22Journal+of+Comparative+Neurology%22%5BJournal%5D)">Somatosensory cortex of the neonatal pig: I. Topographic organization of the primary somatosensory cortex (SI).</a> Journal of Comparative Neurology. 306 (1), 24-38 (1991).</li>
<li>Benison, A. M., Rector, D. M., Barth, D. S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Hemispheric+mapping+of+secondary+somatosensory+cortex+in+the+rat%5BTitle%5D)+AND+%22Journal+of+Neurophysiology%22%5BJournal%5D)">Hemispheric mapping of secondary somatosensory cortex in the rat.</a> Journal of Neurophysiology. 97 (1), 200-207 (2007).</li>
<li>Lee, M., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Graphene-electrode+array+for+brain+map+remodeling+of+the+cortical+surface%5BTitle%5D)+AND+%22NPG+Asia+Materials%22%5BJournal%5D)">Graphene-electrode array for brain map remodeling of the cortical surface.</a> NPG Asia Materials. 13 (1), (2021).</li>
<li>Yang, S. C., Weiner, B. D., Zhang, L. S., Cho, S. J., Bao, S. W. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Homeostatic+plasticity+drives+tinnitus+perception+in+an+animal+model%5BTitle%5D)+AND+%22Proceedings+of+the+National+Academy+of+Sciences+of+the+United+States+of+America%22%5BJournal%5D)">Homeostatic plasticity drives tinnitus perception in an animal model.</a> Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. 108 (36), 14974-14979 (2011).</li>
<li>Yang, S., Zhang, L. S., Gibboni, R., Weiner, B., Bao, S. W. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Impaired+development+and+competitive+refinement+of+the+cortical+frequency+map+in+tumor+necrosis+factor-alpha-deficient+mice%5BTitle%5D)+AND+%22Cerebral+Cortex%22%5BJournal%5D)">Impaired development and competitive refinement of the cortical frequency map in tumor necrosis factor-alpha-deficient mice.</a> Cerebral Cortex. 24 (7), 1956-1965 (2014).</li>
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<li>Yang, S., Su, W., Bao, S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Long-term%2C+but+not+transient%2C+threshold+shifts+alter+the+morphology+and+increase+the+excitability+of+cortical+pyramidal+neurons%5BTitle%5D)+AND+%22Journal+of+Neurophysiology%22%5BJournal%5D)">Long-term, but not transient, threshold shifts alter the morphology and increase the excitability of cortical pyramidal neurons.</a> Journal of Neurophysiology. 108 (6), 1567-1574 (2012).</li>
<li>Beniczky, S., Schomer, D. L. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Electroencephalography%3A+basic+biophysical+and+technological+aspects+important+for+clinical+applications%5BTitle%5D)+AND+%22Epileptic+Disorders%22%5BJournal%5D)">Electroencephalography: basic biophysical and technological aspects important for clinical applications.</a> Epileptic Disorders. 22 (6), 697-715 (2020).</li>
<li>Kim, S. G., Richter, W., Uğurbil, K. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Limitations+of+temporal+resolution+in+functional+MRI%5BTitle%5D)+AND+%22Magnetic+Resonance+Medicine%22%5BJournal%5D)">Limitations of temporal resolution in functional MRI.</a> Magnetic Resonance Medicine. 37 (4), 631-636 (1997).</li>
<li>Cho, Z. H., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((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%5BTitle%5D)+AND+%22Proteomics%22%5BJournal%5D)">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.</a> Proteomics. 8 (6), 1302-1323 (2008).</li>
<li>Viventi, J., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Flexible%2C+foldable%2C+actively+multiplexed%2C+high-density+electrode+array+for+mapping+brain+activity+in+vivo%5BTitle%5D)+AND+%22Nature+Neuroscience%22%5BJournal%5D)">Flexible, foldable, actively multiplexed, high-density electrode array for mapping brain activity in vivo.</a> Nature Neuroscience. 14 (12), 1599-1605 (2011).</li>
<li>Masvidal-Codina, E., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((High-resolution+mapping+of+infraslow+cortical+brain+activity+enabled+by+graphene+microtransistors%5BTitle%5D)+AND+%22Nature+Materials%22%5BJournal%5D)">High-resolution mapping of infraslow cortical brain activity enabled by graphene microtransistors.</a> Nature Materials. 18 (3), 280-288 (2019).</li>
<li>Blaschke, B. M., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Mapping+brain+activity+with+flexible+graphene+micro-transistors%5BTitle%5D)+AND+%222D+Materials%22%5BJournal%5D)">Mapping brain activity with flexible graphene micro-transistors.</a> 2D Materials. 4 (2), 025040(2017).</li>
<li>Park, S. W., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Epidural+electrotherapy+for+epilepsy%5BTitle%5D)+AND+%22Small%22%5BJournal%5D)">Epidural electrotherapy for epilepsy.</a> Small. 14 (30), 1801732(2018).</li>
<li>Lim, J., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Hybrid+graphene+electrode+for+the+diagnosis+and+treatment+of+epilepsy+in+free-moving+animal+models%5BTitle%5D)+AND+%22NPG+Asia+Materials%22%5BJournal%5D)">Hybrid graphene electrode for the diagnosis and treatment of epilepsy in free-moving animal models.</a> NPG Asia Materials. 15 (1), 7(2023).</li>
<li>Hermanns, H., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Molecular+mechanisms+of+action+of+systemic+lidocaine+in+acute+and+chronic+pain%3A+a+narrative+review%5BTitle%5D)+AND+%22British+Journal+of+Anaesthesia%22%5BJournal%5D)">Molecular mechanisms of action of systemic lidocaine in acute and chronic pain: a narrative review.</a> British Journal of Anaesthesia. 123 (3), 335-349 (2019).</li>
<li>Tchoe, Y., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Human+brain+mapping+with+multithousand-channel+PtNRGrids+resolves+spatiotemporal+dynamics%5BTitle%5D)+AND+%22Science+Translational+Medicine%22%5BJournal%5D)">Human brain mapping with multithousand-channel PtNRGrids resolves spatiotemporal dynamics.</a> Science Translational Medicine. 14 (628), (2022).</li>
<li>Wilent, W. B., Contreras, D. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Dynamics+of+excitation+and+inhibition+underlying+stimulus+selectivity+in+rat+somatosensory+cortex%5BTitle%5D)+AND+%22Nature+Neuroscience%22%5BJournal%5D)">Dynamics of excitation and inhibition underlying stimulus selectivity in rat somatosensory cortex.</a> Nature Neuroscience. 8 (10), 1364-1370 (2005).</li>
<li>Insanally, M. N., Köver, H., Kim, H., Bao, S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Feature-dependent+sensitive+periods+in+the+development+of+complex+sound+representation%5BTitle%5D)+AND+%22Journal+of+Neuroscience%22%5BJournal%5D)">Feature-dependent sensitive periods in the development of complex sound representation.</a> Journal of Neuroscience. 29 (17), 5456-5462 (2009).</li>
</ol>

我们没有需要披露的内容。

本方案详细阐述了使用石墨烯电极阵列记录和绘制大鼠体感反应的逐步操作流程。通过该方案获取的数据为体感诱发电位（SEPs），可提供与各个身体部位突触连接的体感信息。
在进行该实验方案时，应考虑多个方面。当抽取脑脊液以防止脑水肿并减轻炎症时，实验人员必须注意不要损伤位于小脑延髓池前方的脑干。
面部须毛可提供有关周围环境的触觉信息，例如黑暗而狭窄的环境。因此，啮齿类动物的须毛发育良好，能够通过须毛的偏转方向、刺激强度以及受刺激须毛的位置来感知物体。体感皮层对每根须毛的弯曲方向、强度和位置具有不同的响应18,19。因此，本实验方案中所有须毛均以恒定的强度和方向进行刺激。
由于我们的石墨烯电极阵列安装在皮层表面，该方案无法记录深部脑结构中诱发的信号。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。
该...

皮层图谱是一组局部区域，用于表征大脑皮层对感觉运动刺激的反应特性。它们构成了神经网络的空间结构，并能够预测感知与认知功能。因此，皮层图谱在评估神经对外部刺激的反应以及处理感觉运动信息方面具有重要价值1,2,3,4。目前已有侵入性和非侵入性两种方法可用于皮层定位。其中最常见的侵入性方法之一是使用皮层内（或穿透性）电极进行图谱绘制5,6,7,8。
利用穿透性电极按需评估高分辨率皮层图谱面临诸多障碍。该方法获取优质图谱过于耗时，且侵入性过强，难以用于临床实践，从而限制了进一步发展。近年来，脑电图（EEG）、正电子发射断层扫描（PET）、脑磁图（MEG）和功能磁共振成像（fMRI）等技术因其侵入性较小且可重复性较高而受到广泛关注。然而，由于成本高昂且空间分辨率较低，这些技术仅在少数情况下得以应用9,10,11。最近，具有优异信号可靠性的柔性表面电极引起了广泛关注。基于石墨烯的表面电极表现出长期的生物相容性和良好的机械柔韧性，可在复杂的脑表面实现稳定的信号记录12,13,14,15,16。本课题组近期开发了一种基于石墨烯的多通道阵列，可用于皮层表面的高分辨率记录和靶向神经刺激。该技术使我们能够长期追踪感觉信息在皮层上的表征变化。
本文介绍了使用30通道石墨烯多电极阵列获取体感皮层脑图谱的步骤。为测量脑部活动，将石墨烯电极阵列放置于皮层的硬膜下区域，同时使用木棒依次刺激前爪、前肢、后爪、后肢、躯干和胡须。记录各体感区域的体感诱发电位（SEPs）。该方案也可应用于其他脑区，如听觉皮层、视觉皮层和运动皮层。

<table><tbody><tr><td>1 mL 注射器</td><td>KOREAVACCINE CORPORATION</td><td></td><td>注射麻醉药物&amp;nbsp;</td></tr><tr><td>3 mL 注射器</td><td>KOREAVACCINE CORPORATION</td><td></td><td>注射麻醉药物&amp;nbsp;</td></tr><tr><td>骨钳</td><td>Fine Science Tools</td><td>16220-14</td><td>去除颅骨</td></tr><tr><td>连接器</td><td>Gbrain</td><td></td><td>将石墨烯电极连接至前置放大器</td></tr><tr><td>钻机</td><td>FALCON tool</td><td></td><td>研磨颅骨</td></tr><tr><td>钻头</td><td>Osstem implant</td><td></td><td>研磨颅骨</td></tr><tr><td>Graefe 爱丽丝镊（轻度弯曲带齿）</td><td>vubu</td><td>vudu-02-73010</td><td>从颅骨上移除组织或夹持擦拭工具</td></tr><tr><td>石墨烯多电极阵列</td><td>Gbrain</td><td></td><td>记录神经元信号</td></tr><tr><td>异氟烷</td><td>Hana Pharm Corporation</td><td></td><td>处死实验动物</td></tr><tr><td>氯胺酮</td><td>yuhan corporation</td><td></td><td>用于麻醉</td></tr><tr><td>利多卡因（2%）</td><td>Daihan pharmaceutical&amp;nbsp;</td><td></td><td>局部麻醉剂</td></tr><tr><td>Matlab R2021b</td><td>Mathworks</td><td></td><td>数据分析软件</td></tr><tr><td>蚊式止血钳</td><td>Fine Science Tools</td><td>91309-12</td><td>固定头皮</td></tr><tr><td>眼膏</td><td>Alcon</td><td></td><td>防止眼睛干涩&amp;nbsp;</td></tr><tr><td>聚维酮碘</td><td>Green Pharmaceutical corporation</td><td></td><td>消毒切口区域</td></tr><tr><td>RHS 32通道刺激/记录前置放大器</td><td>intan technologies</td><td>M4032</td><td>连接连接器与接口电缆，并内置 Intan RHS 刺激/放大芯片</td></tr><tr><td>RHS 6英尺（1.8米）刺激SPI接口电缆</td><td>intan technologies</td><td>M3206</td><td>将石墨烯电极连接至前置放大器</td></tr><tr><td>RHS 刺激/记录控制器软件</td><td>intan technologies</td><td></td><td>数据采集软件</td></tr><tr><td>RHS 刺激/记录控制器</td><td>intan technologies</td><td>M4200</td><td></td></tr><tr><td>生理盐水</td><td>JW Pharmaceutical</td><td></td><td></td></tr><tr><td>手术刀</td><td>Hammacher</td><td>HSB 805-03</td><td></td></tr><tr><td>立体定位仪</td><td>stoelting</td><td></td><td>固定实验动物</td></tr><tr><td>无菌皮下注射针头</td><td>KOREAVACCINE CORPORATION</td><td></td><td>去除硬脑膜</td></tr><tr><td>Steven 爱丽丝组织镊</td><td>KASCO</td><td>50-2026</td><td>去除硬脑膜</td></tr><tr><td>手术刀片 No.11</td><td>FEATHER</td><td></td><td>切开头皮</td></tr><tr><td>手术剪</td><td>Fine Science Tools</td><td>14090-09</td><td>切开头皮并去除硬脑膜</td></tr><tr><td>木棒</td><td></td><td></td><td>胡须刺激</td></tr><tr><td>赛拉嗪</td><td>Bayer Korea</td><td></td><td>用于麻醉</td></tr></tbody></table>

使用石墨烯电极阵列进行脑部图谱绘制

Brain Mapping Using a Graphene Electrode Array

皮层图谱代表了大脑皮层中对感觉运动刺激产生位置依赖性神经反应的空间组织，能够预测具有生理意义的行为。已有多种方法被用于获取皮层图谱，例如穿透性电极、脑电图、正电子发射断层扫描、脑磁图以及功能性磁共振成像。然而，这些方法受限于较差的时空分辨率、较低的信噪比（SNR）、高昂的成本，以及缺乏生物相容性或会对脑组织造成物理损伤等问题。本研究提出一种基于石墨烯阵列的躯体感觉图谱绘制方法，作为皮层脑电图的一项技术特征，具有优异的生物相容性、高时空分辨率、理想的信噪比，并能最大限度减少对组织的损伤，从而克服了以往方法的缺陷。本研究验证了石墨烯电极阵列在大鼠躯体感觉图谱绘制中的可行性。所介绍的实验方案不仅适用于躯体感觉皮层，还可推广至听觉、视觉和运动皮层等其他皮层区域，为临床应用提供了先进的技术手段。

本方案描述了如何将石墨烯多通道阵列安装在脑表面。通过采集物理刺激引发的神经反应并计算反应幅度，构建体感图谱。图1展示了本实验的示意图。
图2A展示了石墨烯电极阵列的结构特征。电极之间的基底上设有通孔。这些孔有助于电极牢固地接触皮层表面（图2B）。电极与皮层之间的牢固贴合有助于记录噪声更小的神经信号。
图2C（左）显示了通过刺激胡须、躯干、足部和四肢（以不同颜色编码）所获得的与位置相关的神经反应。根据体感皮层图中每种颜色区域的实际比例，绘制了一个大鼠体感小人图（rat homunculus），即大鼠的微型身体表示（图2C，右）。
图2D<...

我们提出一种基于石墨烯阵列的脑图谱绘制方法，以降低侵入性并提高时空分辨率。基于石墨烯阵列的表面电极具有长期生物相容性、良好的机械柔韧性，适用于复杂脑表面的脑图谱绘制。该方案可实现多种感觉图谱的同时和连续构建。

皮层图谱代表大脑皮层中对感觉运动刺激产生位置依赖性神经反应的空间组织，从而实现……

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。

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使用石墨烯电极阵列进行脑映射

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本方案涉及使用微电极阵列（MEA）记录暴露于致痫药物的脑片中的电活动。该操作包括将脑片置于MEA记录室中，施加电刺激以诱导人工癫痫发作，并分析所产生的信号。...

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使用多电极阵列监测致痫剂作用下的大脑皮层活动

采用一种具有高通量潜力的微装置，结合新型材料演示了三维（3D）介电泳（DEP）。将石墨烯纳米片纸与双面胶带交替堆叠，并在垂直于层方向钻出一个700...

三维石墨烯电极介电电泳装置的开发

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使用微电极阵列记录和调控啮齿类动物脑片中的癫痫样活动

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全皮层脑皮层电图阵列在普通狨猴中的慢性植入

我们在此描述一种用于制备Ti3C2 MXene微电极阵列及其应用 体内...

Ti3C2 MXene 微电极阵列的制备用于 体内 神经信号记录

本实验方案展示了电解质门控石墨烯场效应晶体管（EGGFET）生物传感器的构建及其在生物标志物免疫球蛋白G（IgG）检测中的应用。...

用于生物标志物检测的电解质门控石墨烯场效应晶体管的开发与功能化

我们描述了一种通过脑电场测量和相关生物标志物——脑血流量，来评估颅外刺激剂量-反应曲线的实验方案。由于该方案涉及将电极侵入性地植入脑内，因此需要实施全身麻醉，并优先选择自主呼吸而非控制性呼吸。...

麻醉小鼠颅外刺激电极的放置及脑血流与颅内电场的测量

提出一种低成本脑电图记录系统，并结合毫米级线圈，用于在活体小鼠大脑中进行经颅磁刺激。in...

低成本脑电图记录系统结合毫米级线圈用于活体小鼠脑部经颅刺激 体内

本方案旨在将背腹侧融合类脑器官稳定接种于多电极阵列上，用于癫痫建模 体外.

一种用于癫痫建模的多电极阵列平台：基于人多能干细胞衍生脑类组装体

了解使用石墨烯电极阵列进行脑映射的方法，该技术可在SD大鼠皮层表面稳定记录体感诱发电位，实现高时空分辨率的同时保持长期生物相容性和机械柔韧性。

使用石墨烯电极阵列进行脑部图谱绘制

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