Cartographie cérébrale à l’aide d’un réseau d’électrodes en graphène

La carte corticale est un ensemble de patchs locaux représentant les propriétés de réponse aux stimuli sensori-moteurs dans le cortex cérébral. Il peut découvrir la formation spatiale de réseaux neuronaux qui peuvent offrir une prédiction de la perception et de la cognition. Par conséquent, les cartes corticales sont utilisées pour étudier les réponses neuronales des stimuli externes et le traitement de l’information sensori-motrice Pour créer des cartes corticales, les méthodes sont invasives et non invasives.

L’utilisation d’électrodes intracorticales est l’une des méthodes invasives les plus couramment utilisées pour cartographier le cortex cérébral. Comme il peut endommager le cerveau pour une haute résolution, il empêche d’autres mesures d’être effectuées. Les outils alternatifs de cartographie cérébrale tels que l’EEG, la TEP, la MEG, l’IRMf, sont des méthodes non invasives qui permettent la cartographie du cerveau entier et des prélèvements répétés.

Cependant, plusieurs inconvénients sont une faible résolution temporelle spatiale, un décalage temporel, des erreurs dues à des entrées modulatoires non spécifiées et des coûts prohibitifs. Les techniques optiques telles que l’imagerie calcique et l’IRMf optogénétique fournissent une cartographie cérébrale à grande échelle, mais ne sont pas cliniquement bénéfiques en raison de la toxicité des indicateurs et de la faible résolution temporelle spatiale. Le réseau d’électrodes en graphène présente une biocompatibilité à long terme et une flexibilité mécanique qui fournissent des enregistrements stables du cerveau alambiqué.

Récemment, notre groupe a mis au point un réseau d’électrodes en graphène qui fournit des enregistrements à haute résolution des signaux neuronaux à la surface corticale. Ce protocole utilise un réseau d’électrodes en graphène pour enregistrer les SEP de la patte avant, du membre antérieur, de la patte arrière, du membre postérieur, du tronc et de la moustache d’un rat SD afin de créer une carte corticale. Administrer une injection intrapéritonéale de kétamine et de xylazine en utilisant une dose de 90 milligrammes par kilogramme pour la kétamine et de 10 milligrammes par kilogramme pour la xylazine.

Pour maintenir la profondeur d’anesthésie souhaitée tout au long de la chirurgie, injectez un cocktail de xylazine de 45 milligrammes par kilogramme et de xylazine de cinq milligrammes par kilogramme si le rat montre des signes d’éveil. Pincez l’orteil pour confirmer la profondeur de l’anesthésie. Si le rat tremble, attendez quelques minutes supplémentaires jusqu’à ce qu’il ne montre aucune réponse.

Rasez la fourrure de la tête du rat de l’espace entre les yeux jusqu’à l’arrière des oreilles à l’aide d’une tondeuse. Appliquez ensuite une pommade ophtalmique sur les yeux. À l’aide de barres auriculaires et d’adaptateurs stéréotaxiques, fixez la tête du rat sur l’appareil stéréotaxique.

Assurez-vous que la tête du rat est correctement fixée. Stérilisez une zone rasée avec un coton imbibé de povidone. Frottez la zone rasée avec de l’alcool.

Répétez le processus de stérilisation trois fois. Injectez ensuite 0,1 millilitre de lidocaïne à 2 % dans le cuir chevelu pour induire une anesthésie locale. Crée une incision médiane de deux à trois centimètres et écarte latéralement le cuir chevelu pour exposer le crâne.

Serrez le cuir chevelu pour exposer le crâne avec une pince à moustiques. Commencez par enlever le périoste en grattant la surface du crâne avec une pince. En ligne droite vers le lambda, repérez le sternum magna en déchirant le muscle derrière l’os occipital sur le bord postérieur.

Utilisez un microscope pour obtenir une vue rapprochée de la citerne magna. Inciser doucement la citerne magna. Après avoir déchiré la citerne magna, les fluides céphalo-rachidiens s’écoulent.

Drainez le liquide céphalo-rachidien avec la gaze stérile enroulée pour qu’il descende dans le cerveau. Marquez l’endroit où l’électrode en graphène sera placée en fonction des coordonnées stéréotaxiques prédéfinies en fonction de la position du bregma. Le cortex somatosensoriel est situé à trois millimètres dans l’axe antérieur postérieur et à six millimètres dans la direction latérale droite à partir du bregma du crâne de l’hémisphère droit.

Percez la zone marquée en fonction des coordonnées stéréotaxiques. Retirez le crâne avec le rongeur en os. Enfoncez un coton-tige dans une aiguille criarde 26.

Pliez l’aiguille à 90 degrés. Pour retirer la dure-mère, créez un trou à l’aide d’une aiguille coudée. Soulevez la dure-mère vers le haut, insérez des pinces dans ce trou et coupez la dure-mère avec des ciseaux ou déchirez-la avec une pince.

Fixez la gaze stérile mouillée avec du sérum physiologique sur le cortex somatosensoriel pour éviter que le cortex ne se dessèche. Détachez le réseau multi-électrodes en graphène sans causer de dommages en appliquant une solution saline. Retirez le revêtement extérieur des fils de référence et de terre du connecteur.

Pour configurer le réseau multi-électrodes en graphène pour la cartographie, connectez la scène principale au connecteur. Connectez le réseau d’électrodes en graphène au connecteur. Branchez le câble d’interface sur le contrôleur d’enregistrement.

Connectez le réseau multi-électrodes en graphène et le complexe de connecteurs à un câble d’interface. Fixez ensuite le complexe de réseau multi-électrodes en graphène sur le bras stéréotaxique. Placez le réseau d’électrodes en graphène sur le cortex somatosensoriel en fonction des coordonnées stéréotaxiques prédéfinies.

Placez le fil de référence dans le tissu derrière l’os occipital. Connectez ensuite le fil de terre à la table optique mise à la terre. Ouvrez le logiciel d’enregistrement et réglez la fréquence d’échantillonnage à 30 kilohertz et cliquez sur le bouton OK.

Réglez le filtre coupe-bande de 60 hertz pour supprimer le bruit de l’alimentation. Pliez la moustache à l’aide d’un bâton fin. Enregistrez les signaux neuronaux via le système d’acquisition de données pendant la durée souhaitée.

Ces signaux sont des signaux neuronaux obtenus par le biais de stimuli pour les moustaches. D’autres parties du corps stimulent également de la même manière pour enregistrer les SEP. Ouvrez le fichier MATLAB dont le nom de code est read_Intan_RHS2000.

Cliquez sur le bouton Run (Exécuter). Choisissez le fichier d’enregistrement et cliquez sur ce fichier, puis attendez que le fichier soit lu. Entrez la commande tracer pour créer un tracé linéaire 2D.

Sélectionnez les signaux de crête représentatifs qui ont répondu au stimulus et calculez les amplitudes des SEP en mesurant les valeurs maximales et minimales. Obtenez la carte topographique en coloriant le grade avec les différentes nuances de couleur en fonction de l’amplitude du SEP. Le réseau d’électrodes en graphène se trouve à gauche.

Il y a des trous traversants du substrat entre toutes les électrodes. Ces trous aident les électrodes à maintenir un contact fort avec le cortex. Sur la droite, l’image montre le réseau d’électrodes sur le cortex.

Sur la gauche, le rapport de chaque réponse neuronale dépendante de l’emplacement causée par les stimulations aux différentes parties du corps du rat est affiché sous la forme d’un rat. Chaque partie du corps est représentée avec une couleur différente. Cela configure une carte du cortex somatosensoriel.

À droite, la figure suivante montre les réponses spécifiques d’un stimulus obtenu grâce aux électrodes de graphène multicanaux qui ont été placées à la surface du cortex. Chaque case colorée représente les réponses des différentes parties du corps sur les 30 canaux. La figure ci-dessus représente les LFP détectés à la surface du cortex somatosensoriel à l’aide de réseaux d’électrodes en graphène.

La barre de couleur indique qu’une plus grande amplitude est représentée par une nuance de couleur plus foncée et que chaque couleur représente une partie différente du corps. La figure fait varier l’amplitude en fonction des nuances de la barre de couleur. Cet homoncule du rongeur a été créé à l’aide des résultats qui viennent d’être expliqués.

Plus l’amplitude d’une certaine partie du corps était grande, plus elle serait illustrée sur l’homonculus. La figure ci-dessous représente des données distinctes sur les LFP collectées à partir de chaque partie du corps. Il représente les différentes amplitudes des LFP détectées en fonction de la barre de couleur.

Il existe plusieurs précautions pour cette procédure. Lors de l’ablation du liquide céphalo-rachidien, l’expérimentateur doit veiller à ne pas toucher le tronc cérébral ou la moelle épinière. Cette étape demande de la pratique.

La moustache du rongeur est suffisamment développée pour détecter la direction de la déviation, l’intensité du stimulus et l’emplacement de la moustache qui a été stimulée. C’est pourquoi les moustaches doivent être stimulées dans une direction et une intensité constantes pour ce protocole. D’autres parties du corps doivent également être stimulées de manière constante.

La limite de ce protocole est que les signaux évoqués dans les structures cérébrales profondes ne peuvent pas être enregistrés car un réseau d’électrodes en graphène est monté sur la surface corticale. Ainsi, l’expérimentateur ne peut pas identifier comment le réseau colonnaire est organisé hiérarchiquement en ce qui concerne les réponses neuronales. Néanmoins, ce protocole peut être appliqué ultérieurement si l’expérimentateur modifie les multiples zones où les réseaux d’électrodes sont placés.

Par exemple, si l’expérimentateur place l’électrode sur le cortex auditif ou visuel pour extraire des informations auditives et visuelles, il peut acquérir les cartes auditives ou visuelles. De plus, ce protocole peut être étendu à l’implantation chronique du réseau multi-électrodes en graphène.