Mapeo cerebral con una matriz de electrodos de grafeno

El mapa cortical es un conjunto de parches locales que representan las propiedades de respuesta a los estímulos sensoriomotores en la corteza cerebral. Puede descubrir la formación espacial de las redes neuronales que pueden ofrecer una predicción para la percepción y la cognición. Por lo tanto, los mapas corticales se utilizan para estudiar las respuestas neuronales de los estímulos externos y el procesamiento de la información sensoriomotora Para crear mapas corticales se utilizan métodos invasivos y no invasivos.

El uso de electrodos intracorticales es uno de los métodos invasivos más comunes utilizados para mapear la corteza cerebral. Como puede dañar el cerebro para alta resolución, impide que se realicen más mediciones. Las herramientas alternativas de mapeo cerebral como EEG, PET, MEG, fMRI, son métodos no invasivos que permiten el mapeo de todo el cerebro y el muestreo repetido.

Sin embargo, varias desventajas son la baja resolución espacio-temporal, el retraso temporal, los errores debidos a entradas moduladoras no especificadas y los costos prohibitivos. Las técnicas ópticas, como las imágenes de calcio y la resonancia magnética funcional optogenética, proporcionan un mapeo cerebral a gran escala, pero no son clínicamente beneficiosas debido a la toxicidad de los indicadores y a la baja resolución espacio-temporal. La matriz de electrodos de grafeno exhibe biocompatibilidad a largo plazo y flexibilidad mecánica, lo que proporciona registros estables del cerebro enrevesado.

Recientemente, nuestro grupo ha desarrollado una guía de electrodos de grafeno que proporciona registros de alta resolución de señales neuronales en la superficie cortical. Este protocolo utiliza una matriz de electrodos de grafeno para registrar los SEP de la pata delantera, la extremidad delantera, la pata trasera, la extremidad trasera, el tronco y los bigotes de una rata SD para crear un mapa cortical. Administrar una inyección intraperitoneal de ketamina y cóctel de xilacina utilizando una dosis de 90 miligramos por kilogramo para la ketamina y 10 miligramos por kilogramo para la xilacina.

Para mantener la profundidad deseada de anestesia durante toda la cirugía, inyecte un cóctel de 45 miligramos por kilogramo de ketamina y cinco miligramos por kilogramo de xilacina si la rata muestra signos de despertar. Pellizque el dedo del pie para confirmar la profundidad de la anestesia. Si la rata tiembla, espere unos minutos más hasta que no responda.

Afeita el pelaje de la cabeza de la rata desde el espacio entre los ojos hasta la parte posterior de las orejas con una recortadora. A continuación, aplique una pomada oftálmica en los ojos. Usando barras para los oídos y adaptadores estereotáxicos, fije la cabeza de la rata en el aparato estereotáxico.

Asegúrate de que la cabeza de la rata esté bien fijada. Esterilice un área afeitada con un intercambio de algodón empapado en povidona. Frote el área afeitada con alcohol.

Repita el proceso de esterilización tres veces. A continuación, inyecte 0,1 mililitros de lidocaína al 2% en el cuero cabelludo para inducir la anestesia local. Crea una incisión de dos a tres centímetros en la línea media y separa lateralmente el cuero cabelludo para exponer el cráneo.

Sujete el cuero cabelludo para exponer el cráneo con pinzas para mosquitos. Comience por extirpar el periostio rascando la superficie del cráneo con fórceps. En línea recta hacia la lambda, localice el esternón magna desgarrando el músculo detrás del hueso occipital en el borde posterior.

Usa un microscopio para ver de cerca la cisterna magna. Incide suavemente la cisterna magna. Después de desgarrar la cisterna magna, los fluidos cefalorraquídeos fluyen.

Drene el líquido cefalorraquídeo con la gasa estéril enrollada para hundir el cerebro. Marque dónde se colocará el electrodo de grafeno en función de las coordenadas estereotáxicas predefinidas según la posición del bregma. La corteza somatosensorial se encuentra a tres milímetros en el eje anteroposterior y a seis milímetros en la dirección lateral derecha desde el bregma del cráneo del hemisferio derecho.

Taladre el área marcada de acuerdo con la coordenada estereotáxica. Retira el cráneo con el rongeur de hueso. Introduce un bastoncillo de algodón en una aguja chillona de 26 pulgadas.

Dobla la aguja a 90 grados. Para quitar la duramadre, crea un agujero con una aguja doblada. Levante la duramadre hacia arriba, inserte pinzas en ese orificio y proceda a cortar la duramadre con unas tijeras o rasgarla con pinzas.

Coloque la gasa estéril mojada con solución salina en la corteza somatosensorial para evitar que la corteza se seque. Separe la matriz de multielectrodos de grafeno sin causar ningún daño aplicando solución salina. Retire la cubierta exterior de los cables de referencia y de tierra del conector.

Para configurar la matriz de electrodos múltiples de grafeno para el mapeo, conecte la platina del cabezal con el conector. Conecte la guía de electrodos de grafeno con el conector. Conecte el cable de interfaz al controlador de grabación.

Conecte la matriz de multielectrodos de grafeno y el complejo de conectores a un cable de interfaz. A continuación, fije el complejo de matriz de multielectrodos de grafeno en el brazo estereotáxico. Coloque la matriz de electrodos de grafeno en la corteza somatosensorial en función de las coordenadas estereotáxicas predefinidas.

Coloque el alambre de referencia en el tejido detrás del hueso occipital. A continuación, conecte el cable de tierra a la mesa óptica conectada a tierra. Abra el software de grabación y establezca la frecuencia de muestreo en 30 kilohercios y haga clic en el botón Aceptar.

Configure el filtro de muesca de 60 hercios para eliminar el ruido de la alimentación. Dobla el bigote con un palo fino. Registre señales neuronales a través del sistema de adquisición de datos durante el tiempo deseado.

Estas señales son señales neuronales obtenidas a través de estímulos para los bigotes. Otras partes del cuerpo también estimulan de la misma manera para registrar las SEP. Abra el código de MATLAB denominado read_Intan_RHS2000 archivo.

Haga clic en el botón Ejecutar. Elija el archivo de grabación y haga clic en ese archivo y luego espere a que se lea el archivo. Introduzca el comando plot para crear un trazado de líneas 2D.

Seleccione las señales de pico representativas que fueron en respuesta al estímulo y calcule las amplitudes de los SEP midiendo los valores máximos y mínimos. Obtener el mapa topográfico coloreando la pendiente con los diferentes tonos de color según la amplitud del SEP. La matriz de electrodos de grafeno está a la izquierda.

Hay orificios pasantes del sustrato entre todos los electrodos. Estos orificios ayudan a los electrodos a mantener un fuerte contacto con la corteza. A la derecha, la imagen muestra la guía de electrodos en la corteza.

A la izquierda, la proporción de cada respuesta neuronal dependiente de la ubicación causada por las estimulaciones a diferentes partes del cuerpo de la rata se muestra en forma de rata. Cada parte del cuerpo está representada con un color diferente. Esto configura un mapa de la corteza somatosensorial.

A la derecha, la siguiente figura muestra las respuestas específicas de los estímulos obtenidos a través de los electrodos de grafeno multicanal que se colocaron en la superficie de la corteza. Cada cuadro de color representa las respuestas que tuvieron las diferentes partes del cuerpo en los 30 canales. La figura anterior representa los LFP detectados en la superficie de la corteza somatosensorial mediante el uso de matrices de electrodos de grafeno.

La barra de color muestra que una amplitud mayor está representada por un tono de color más oscuro y cada color representa una parte diferente del cuerpo. La figura flexiona la amplitud en función de los tonos de la barra de color. Este homúnculo del roedor fue creado utilizando los resultados que acabamos de explicar.

Cuanto mayor fuera la amplitud de ciertas partes del cuerpo, más grande se ilustraría en el homónculo. La siguiente figura representa un dato separado de los LFP recopilados de cada parte del cuerpo. Representa las amplitudes variables de los LFP detectados en función de la barra de color.

Hay varias precauciones para este procedimiento. Al extraer el líquido cefalorraquídeo, el experimentador debe tener cuidado de no tocar el tronco encefálico o la médula espinal. Este paso requiere práctica.

El bigote de los roedores está lo suficientemente desarrollado como para detectar la dirección de la desviación, la intensidad del estímulo y la ubicación del bigote que fue estimulado. Es por eso que los bigotes deben estimularse en una dirección e intensidad constante para este protocolo. Otras partes del cuerpo también deben ser estimuladas constantemente.

La limitación de este protocolo es que las señales evocadas en las estructuras cerebrales profundas no se pueden registrar cuando se monta una matriz de electrodos de grafeno en la superficie cortical. Por lo tanto, el experimentador no puede identificar cómo se organiza jerárquicamente la red columnar con respecto a las respuestas neuronales. No obstante, este protocolo se puede aplicar aún más si el experimentador cambia las múltiples áreas donde se colocan las guías de electrodos.

Por ejemplo, si el experimentador coloca el electrodo en la corteza auditiva o visual para extraer información auditiva y visual, puede adquirir los mapas auditivos o visuales. Además, este protocolo puede extenderse a la implantación crónica de la matriz multielectrodo de grafeno.