Brain Mapping mit einem Graphen-Elektroden-Array

Die kortikale Karte ist eine Reihe von lokalen Flecken, die die Reaktionseigenschaften auf sensomotorische Reize in der Großhirnrinde darstellen. Es kann die räumliche Bildung neuronaler Netze entdecken, die eine Vorhersage für Wahrnehmung und Kognition bieten können. Daher werden kortikale Karten verwendet, um neuronale Reaktionen von externen Reizen und die Verarbeitung sensomotorischer Informationen zu untersuchen.

Die Verwendung von intrakortikalen Elektroden ist eine der häufigsten invasiven Methoden zur Kartierung der Großhirnrinde. Da es bei hoher Auflösung das Gehirn schädigen kann, verhindert es weitere Messungen. Alternative Brain-Mapping-Tools wie EEG, PET, MEG, fMRT sind nicht-invasive Methoden, die eine Kartierung des gesamten Gehirns und wiederholte Probenentnahmen ermöglichen.

Mehrere Nachteile sind jedoch eine geringe räumliche zeitliche Auflösung, zeitliche Verzögerung, Fehler aufgrund nicht spezifizierter modulatorischer Eingaben und unerschwingliche Kosten. Optische Techniken wie Kalzium-Bildgebung und optogenetische fMRT ermöglichen eine großflächige Kartierung des Gehirns, sind aber aufgrund der Toxizität der Indikatoren und der geringen räumlichen zeitlichen Auflösung klinisch nicht vorteilhaft. Das Graphen-Elektroden-Array weist eine langfristige Biokompatibilität und mechanische Flexibilität auf, die stabile Aufzeichnungen des gewundenen Gehirns ermöglicht.

Kürzlich hat unsere Gruppe ein Graphen-Elektroden-Array entwickelt, das hochauflösende Aufzeichnungen für neuronale Signale auf der kortikalen Oberfläche liefert. Dieses Protokoll verwendet ein Graphen-Elektroden-Array, um die SEPs von Vorderpfote, Vordergliedmaße, Hinterpfote, Hintergliedmaße, Rumpf und Schnurrhaar einer SD-Ratte aufzuzeichnen, um eine kortikale Karte zu erstellen. Verabreichen Sie eine intraperitoneale Injektion von Ketamin und Xylazin-Cocktail mit einer Dosierung von 90 Milligramm pro Kilogramm für Ketamin und 10 Milligramm pro Kilogramm für Xylazin.

Um die gewünschte Anästhesietiefe während der gesamten Operation aufrechtzuerhalten, injizieren Sie einen Ketamin-Cocktail mit 45 Milligramm pro Kilogramm und fünf Milligramm pro Kilogramm Xylazin-Cocktail, wenn die Ratte Anzeichen eines Erwachens zeigt. Kneifen Sie den Zeh zusammen, um die Tiefe der Anästhesie zu bestätigen. Wenn die Ratte zittert, warten Sie weitere Minuten, bis sie keine Reaktion zeigt.

Rasieren Sie das Fell am Kopf der Ratte mit einem Trimmer vom Augenzwischenraum bis zur Rückseite der Ohren. Tragen Sie dann eine Augensalbe auf die Augen auf. Befestigen Sie den Kopf der Ratte mit Hilfe von Ohrstangen und stereotaktischen Adaptern auf dem stereotaktischen Gerät.

Achte darauf, dass der Kopf der Ratte richtig fixiert ist. Sterilisieren Sie eine rasierte Stelle mit einem mit Povidon getränkten Watte-Swap. Schrubben Sie die rasierte Stelle mit Alkohol.

Wiederholen Sie den Sterilisationsvorgang dreimal. Injizieren Sie dann 0,1 Milliliter 2%iges Lidocain in die Kopfhaut, um eine Lokalanästhesie einzuleiten. Legt einen zwei bis drei Zentimeter langen Mittellinienschnitt an und zieht die Kopfhaut seitlich auseinander, um den Schädel freizulegen.

Klemmen Sie die Kopfhaut mit einer Mückenzange ein, um den Schädel freizulegen. Beginnen Sie damit, die Knochenhaut zu entfernen, indem Sie die Oberfläche des Schädels mit einer Pinzette einritzen. Lokalisieren Sie in einer geraden Linie in Richtung Lambda das Sternum magna, indem Sie den Muskel hinter dem Hinterhauptsbein am hinteren Rand reißen.

Verwenden Sie ein Mikroskop, um einen genauen Blick auf die Cisterna magna zu werfen. Schneiden Sie die Cisterna magna vorsichtig ein. Nach dem Zerreißen der Cisterna magna fließt die Gehirn-Rückenmarksflüssigkeit aus.

Lassen Sie die zerebrale Rückenmarksflüssigkeit mit der aufgerollten sterilen Gaze ab, um das Gehirn hinunter zu sinken. Markieren Sie, wo die Graphenelektrode platziert werden soll, basierend auf den vordefinierten stereotaktischen Koordinaten entsprechend der Position des Bregmas. Der somatosensorische Kortex befindet sich drei Millimeter in der vorderen hinteren Achse und sechs Millimeter in der rechten lateralen Richtung vom Bregma der rechten Schädelhälfte entfernt.

Bohren Sie den markierten Bereich entsprechend der stereotaktischen Koordinate. Entfernen Sie den Schädel mit dem Knochenrongeur. Stechen Sie ein Wattestäbchen in eine 26er grelle Nadel.

Biegen Sie die Nadel um 90 Grad. Um die Dura mater zu entfernen, machen Sie mit einer gebogenen Nadel ein Loch. Heben Sie die Dura Mater nach oben, führen Sie eine Pinzette in dieses Loch ein und schneiden Sie die Dura Mater mit einer Schere oder reißen Sie sie mit einer Pinzette ab.

Befestigen Sie die sterile Gaze, die mit Kochsalzlösung befeuchtet ist, auf dem somatosensorischen Kortex, um ein Austrocknen des Kortex zu verhindern. Lösen Sie das Graphen-Multielektroden-Array, ohne es zu beschädigen, indem Sie Kochsalzlösung auftragen. Entfernen Sie die äußere Abdeckung der Referenz- und Erdungskabel vom Stecker.

Um das Graphen-Multi-Elektroden-Array für das Mapping einzurichten, verbinden Sie die Hauptstufe mit dem Anschluss. Verbinden Sie das Graphen-Elektroden-Array mit dem Stecker. Schließen Sie das Schnittstellenkabel an den Aufnahmecontroller an.

Verbinden Sie das Graphen-Multielektroden-Array und den Steckerkomplex mit einem Schnittstellenkabel. Befestigen Sie dann den Graphen-Multielektroden-Array-Komplex auf dem stereotaktischen Arm. Platzieren Sie das Graphen-Elektroden-Array auf der Grundlage der vordefinierten stereotaktischen Koordinaten auf dem somatosensorischen Kortex.

Platzieren Sie den Referenzdraht im Gewebe hinter dem Hinterhauptbein. Verbinden Sie dann das Erdungskabel mit dem geerdeten optischen Tisch. Öffnen Sie die Aufnahmesoftware, stellen Sie die Abtastrate auf 30 Kilohertz ein und klicken Sie auf die Schaltfläche OK.

Stellen Sie den 60-Hertz-Notch-Filter ein, um das Rauschen aus der Stromversorgung zu entfernen. Den Schnurrbart mit einem feinen Stäbchen biegen. Zeichnen Sie neuronale Signale über das Datenerfassungssystem für die gewünschte Zeit auf.

Bei diesen Signalen handelt es sich um neuronale Signale, die durch Reize für Schnurrhaare gewonnen werden. Auch andere Körperteile stimulieren auf die gleiche Weise, um SEPs aufzuzeichnen. Öffnen Sie die MATLAB-Datei mit dem Codenamen read_Intan_RHS2000.

Klicken Sie auf die Schaltfläche Ausführen. Wählen Sie die Aufzeichnungsdatei aus, klicken Sie auf diese Datei und warten Sie, bis die Datei gelesen wurde. Geben Sie das Befehlsdiagramm ein, um ein 2D-Liniendiagramm zu erstellen.

Wählen Sie die repräsentativen Spitzensignale aus, die auf den Stimulus reagiert haben, und berechnen Sie die Amplituden der SEPs, indem Sie die Maximal- und Minimalwerte messen. Erhalten Sie die topografische Karte, indem Sie die Neigung entsprechend der Amplitude des SEP mit dem unterschiedlichen Farbton einfärben. Das Graphen-Elektroden-Array befindet sich auf der linken Seite.

Zwischen allen Elektroden befinden sich Durchgangslöcher des Substrats. Diese Löcher helfen den Elektroden, einen starken Kontakt mit dem Kortex aufrechtzuerhalten. Rechts zeigt das Bild das Elektrodenarray auf dem Kortex.

Auf der linken Seite ist das Verhältnis der einzelnen ortsabhängigen neuronalen Reaktionen, die durch Stimulationen hervorgerufen werden, zu verschiedenen Körperteilen der Ratte in Form einer Ratte dargestellt. Jeder Körperteil wird mit einer anderen Farbe dargestellt. Dadurch wird eine somatosensorische Kortexkarte konfiguriert.

Auf der rechten Seite zeigt die folgende Abbildung eine stimulispezifische Antwort, die durch die Mehrkanal-Graphenelektroden gewonnen wurde, die auf der Oberfläche des Kortex platziert wurden. Jedes farbige Kästchen stellt die Reaktionen dar, die verschiedene Körperteile auf den 30 Kanälen hatten. Die obige Abbildung zeigt die LFPs, die auf der Oberfläche des somatosensorischen Kortex mit Hilfe von Graphen-Elektrodenarrays detektiert wurden.

Der Farbbalken zeigt, dass eine größere Amplitude durch einen dunkleren Farbton dargestellt wird und jede Farbe einen anderen Körperteil darstellt. Die Figur flexet die Amplitude basierend auf den Schattierungen in der Farbleiste. Dieser Homunkulus des Nagetieres wurde mit den soeben erklärten Ergebnissen erstellt.

Je größer die Amplitude eines bestimmten Körperteils war, desto größer war sie auf dem Homonkulus. Die folgende Abbildung zeigt separate Daten von LFPs, die von jedem Körperteil gesammelt wurden. Es stellt die unterschiedlichen Amplituden von LFPs dar, die basierend auf dem Farbbalken erkannt werden.

Für dieses Verfahren gibt es mehrere Vorsichtsmaßnahmen. Bei der Entnahme der Gehirn-Rückenmarks-Flüssigkeit sollte der Versuchsleiter darauf achten, den Hirnstamm oder das Rückenmark nicht zu berühren. Dieser Schritt erfordert Übung.

Das Schnurrhaar des Nagetieres ist so weit entwickelt, dass es eine Ablenkungsrichtung, die Reizintensität und die Position des stimulierten Schnurrhaars wahrnehmen kann. Deshalb sollten die Schnurrhaare für dieses Protokoll in einer konstanten Richtung und Intensität stimuliert werden. Auch andere Körperpartien sollten konsequent stimuliert werden.

Die Einschränkung dieses Protokolls besteht darin, dass Signale, die in tiefen Hirnstrukturen hervorgerufen werden, nicht aufgezeichnet werden können, da ein Graphen-Elektroden-Array auf der kortikalen Oberfläche montiert ist. Daher kann der Experimentator nicht erkennen, wie das spaltenförmige Netzwerk in Bezug auf die neuronalen Antworten hierarchisch organisiert ist. Nichtsdestotrotz kann dieses Protokoll weiter angewendet werden, wenn der Versuchsleiter die verschiedenen Bereiche ändert, in denen die Elektrodenarrays platziert sind.

Wenn der Versuchsleiter beispielsweise die Elektrode auf den auditorischen oder visuellen Kortex legt, um auditive und visuelle Informationen zu extrahieren, kann er die auditiven oder visuellen Karten erfassen. Dieses Protokoll kann auch auf die chronische Implantation des Graphen-Multielektroden-Arrays ausgeweitet werden.