Method Article

מיפוי מוח באמצעות מערך אלקטרודות גרפן

DOI:

10.3791/64910

⸱

October 20th, 2023

 ,  ,  ,  ,  , 
1Department of Nano-Bioengineering, Incheon National University

* These authors contributed equally

In This Article

Summary

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

אנו מציגים הליך מיפוי מוח מבוסס מערך גרפן כדי להפחית את הפולשנות ולשפר את הרזולוציה המרחבית-זמנית. אלקטרודות משטח מבוססות מערך גרפן מציגות תאימות ביולוגית ארוכת טווח, גמישות מכנית והתאמה למיפוי מוח במוח מפותל . פרוטוקול זה מאפשר לבנות צורות מרובות של מפות חושיות בו זמנית וברצף.

Abstract

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

מפות קורטיקליות מייצגות את הארגון המרחבי של תגובות עצביות תלויות מיקום לגירויים סנסומוטוריים בקליפת המוח, ומאפשרות חיזוי של התנהגויות רלוונטיות מבחינה פיזיולוגית. שיטות שונות, כגון אלקטרודות חודרות, אלקטרואנצפלוגרפיה, טומוגרפיה של פליטת פוזיטרונים, מגנטואנצפלוגרפיה והדמיית תהודה מגנטית תפקודית, שימשו להשגת מפות קליפת המוח. עם זאת, שיטות אלה מוגבלות על ידי רזולוציה מרחבית-זמנית ירודה, יחס אות לרעש נמוך (SNR), עלויות גבוהות ואי-תאימות ביולוגית או גורמות נזק פיזי למוח. מחקר זה מציע שיטת מיפוי סומטוסנסורי מבוססת מערך גרפן כתכונה של אלקטרוקורטיקוגרפיה המציעה תאימות ביולוגית מעולה, רזולוציה מרחבית-זמנית גבוהה, SNR רצוי ונזק מינימלי לרקמות, תוך התגברות על החסרונות של שיטות קודמות. מחקר זה הדגים את ההיתכנות של מערך אלקטרודות גרפן למיפוי סומטוסנסורי בחולדות. הפרוטוקול המוצג יכול להיות מיושם לא רק על קליפת המוח הסומטוסנסורית, אלא גם על קליפות אחרות כגון קליפת המוח השמיעתית, הראייתית והמוטורית, ומספק טכנולוגיה מתקדמת ליישום קליני.

Introduction

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

מפה קורטיקלית היא קבוצה של טלאים מקומיים המייצגים תכונות תגובה לגירויים סנסומוטוריים בקליפת המוח. הם היווצרות מרחבית של רשתות עצביות ומאפשרים חיזוי של תפיסה וקוגניציה. לכן, מפות קליפת המוח שימושיות בהערכת תגובות עצביות לגירויים חיצוניים ובעיבוד מידע סנסומוטורי 1,2,3,4. קיימות שיטות פולשניות ולא פולשניות למיפוי קליפת המוח. אחת השיטות הפולשניות הנפוצות ביותר כוללת שימוש באלקטרודות תוך קורטיקליות (או חודרות) למיפוי 5,6,7,8.

הערכת מפות קליפת המוח ברזולוציה גבוהה לפי דרישה באמצעות אלקטרודות חודרות נתקלה במספר מכשולים. השיטה מייגעת מכדי להשיג מפה הגונה ופולשנית מדי ליישום לשימוש קליני, ואוסרת על פיתוח נוסף. טכנולוגיות עדכניות יותר כגון אלקטרואנצפלוגרפיה (EEG), טומוגרפיית פליטת פוזיטרונים (PET), מגנטואנצפלוגרפיה (MEG) ודימות תהודה מגנטית תפקודי (fMRI) צברו פופולריות מכיוון שהן פחות פולשניות וניתנות לשחזור. עם זאת, בהתחשב בעלויות הגבוהות שלהם וברזולוציה גרועה, הם משמשים במספר מוגבל של מקרים 9,10,11. לאחרונה, אלקטרודות משטח גמישות עם אמינות אות מעולה משכו תשומת לב רבה. אלקטרודות משטח מבוססות גרפן מדגימות תאימות ביולוגית ארוכת טווח וגמישות מכנית, ומספקות הקלטות יציבות במוח מפותל 12,13,14,15,16. הקבוצה שלנו פיתחה לאחרונה מערך רב-ערוצי מבוסס גרפן להקלטה ברזולוציה גבוהה וגירוי עצבי ספציפי לאתר על פני קליפת המוח. טכנולוגיה זו מאפשרת לנו לעקוב אחר ייצוגים קליפת המוח של מידע חושי במשך תקופה ממושכת.

מאמר זה מתאר את השלבים הכרוכים ברכישת מפה מוחית של קליפת המוח הסומטוסנסורית באמצעות מערך רב-אלקטרודות גרפן בן 30 ערוצים. כדי למדוד את פעילות המוח, מערך אלקטרודות גרפן ממוקם על האזור התת-דוראלי של קליפת המוח, בעוד שהכף הקדמית, הגפה הקדמית, הכף האחורית, הגפה האחורית, תא המטען והשפם מגורים באמצעות מקל עץ. הפוטנציאלים הסומטוסנסוריים-מעוררים (SEPs) נרשמים עבור אזורים סומטוסנסוריים. פרוטוקול זה יכול להיות מיושם גם על אזורים אחרים במוח, כגון קליפת המוח השמיעתית, הראייתית והמוטורית.

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Protocol

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

כל נהלי הטיפול בבעלי חיים אושרו על ידי הוועדה המוסדית לטיפול ושימוש בבעלי חיים של האוניברסיטה הלאומית אינצ'און (INU-ANIM-2017-08).

1. הכנת בעלי חיים לניתוח

הערה: השתמש בעכברוש Sprague Dawley (בן 8-10 שבועות) ללא הטיית המין עבור ניסוי זה.

  1. מרדימים את החולדה עם 90 מ"ג/ק"ג קטמין ו-10 מ"ג/ק"ג קוקטייל קסילזין תוך צפקי. כדי לשמור על עומק ההרדמה הרצוי במהלך הניתוח, ספקו תוספת של 45 מ"ג/ק"ג קטמין ו-5 מ"ג/ק"ג קוקטייל קסילזין כאשר החולדה מראה סימני התעוררות.
  2. ודאו שהחולדה נמצאת תחת הרדמה עמוקה ובדקו באופן קבוע השתקפויות גוף כגון צביטת בוהן, צביטת זנב ורפלקס הקרנית.
  3. לגלח את הפרווה בין העיניים והחלק האחורי של האוזניים באמצעות גוזם .
  4. יש למרוח משחה אופתלמית על העיניים כדי למנוע מהן להתייבש.

2. ניתוח לחשיפה למשטח קליפת המוח

  1. תקן את ראש החולדה על המנגנון הסטריאוטקסי באמצעות מתאם סטריאוטקסי. כדי לשמור על טמפרטורת גוף של 37 מעלות צלזיוס במהלך הניתוח, הניחו את החולדה על כרית חימום מבוקרת טמפרטורה.
  2. לעקר את האזור המגולח עם קרצוף לסירוגין של אלכוהול פובידון-יוד שלוש פעמים.
  3. השתמש במלקחיים כדי לתפוס את הקרקפת בחוזקה ולהזריק 0.1 מ"ל של לידוקאין (2%) עם מזרק ישירות לתוך הקרקפת כדי לגרום להרדמה מקומית באזור הניתוח.
  4. בצע חתך קו אמצע באורך 2-3 ס"מ עם אזמל ופרק את הקרקפת כדי לחשוף את הגולגולת.
  5. הדקו את הקרקפת עם מלקחיים נגד יתושים כדי לחשוף את הגולגולת.
  6. לגרד את פני השטח של הגולגולת עם מלקחיים כדי להסיר את periosteum.
  7. קהה לנתח את השרירים מעל הגולגולת העורפית כדי לחשוף את cisterna magna מעל הציר בחלק העליון של חוט השדרה.
  8. חותכים את cisterna magna עם הלהב כדי לנקז את הנוזל השדרתי ולשים גזה סטרילית בתוך החתך של cisterna magna כדי לספוג את הנוזל השדרתי כל הזמן כדי למנוע בצקת במוח ולמזער דלקת.
  9. בעזרת עיפרון מסמנים על הגולגולת חלון מלבני בגודל 3 מ"מ בציר הקדמי ו-6 מ"מ בכיוון הצדדי הימני מהברגמה של ההמיספרה הימנית.
    הערה: הסימון חייב להבטיח מרחק של 1 מ"מ מקו האמצע כדי למנוע קרע מעולה של הסינוס הסגיטלי.
  10. קודחים את האזור המסומן על פי הקואורדינטה הסטריאוטקסית ומסירים את הגולגולת עם רונגר עצם.
  11. כדי להסיר את הדורה מאטר, כופפו את קצה המחט 26 G ל-90°, צרו חור בדורה מאטר, הרימו את הדורה מאטר, הכניסו מלקחיים לתוך החור וקרעו אותו במלקחיים.
  12. הניחו גזה רטובה במי מלח על קליפת המוח הסומטוסנסורית, כדי למנוע ממנה להתייבש.

3. הכנת מערך אלקטרודות גרפן המחובר למערכת ההקלטה

  1. הכן מערך אלקטרודות גרפן עם מחבר אומנטיקה (omnetics).
    1. נתק את מערך הגרפן מרובה האלקטרודות מבלי לגרום נזק על ידי יישום תמיסת המלח.
    2. הסר את הכיסוי החיצוני של חוטי הייחוס והארקה מהמחבר.
  2. חבר את שלב הראש עם מערך אלקטרודות הגרפן למחבר.
  3. חבר את כבל הממשק המקושר לשלב הראש למערכת ההקלטה.
  4. אבטחו את קומפלקס מערך אלקטרודות הגרפן לתוך הזרוע הסטריאוטקסית.
  5. כדי ללכוד אותות עצביים מכל הערוצים, מקמו את המערך על קליפת המוח הסומטוסנסורית ללא כל כיפוף, בהתאם לקואורדינטות הסטריאוטקסיות שנקבעו מראש.
  6. הניחו חוט ייחוס מתחת לרקמה מאחורי העצם העורפית וחברו את חוט הארקה לשולחן האופטי המוארק.

4. גירוי פיזי ורישום SEPs למיפוי

  1. פתח את תוכנת הקלטת האותות העצביים.
  2. הגדר את סביבת תוכנת ההקלטה: (1) הגדר את קצב הדגימה עבור SEPs ומסנן חריצים (60 או 50 הרץ, תדר של חשמל ביתי) כדי להסיר את הרעש מקו החשמל.
  3. למיפוי שפם, כופפו את השפם בעזרת מקל דק.
  4. כל הזמן לדקור את הכף הקדמית, הגפה הקדמית, הכף האחורית, הגפה האחורית, ואת תא המטען עם מקל עץ למיפוי הגוף.
  5. רשום אותות עצביים במערכת רכישת הנתונים למשך הזמן שצוין.

5. המתת חסד של בעלי חיים

  1. לאחר כל הליכי ההקלטה, להקריב את החולדות עם הרדמה באמצעות >5% isoflurane ולבצע דיסקציה צוואר הרחם.

6. מדידת SEP למיפוי קליפת המוח

  1. פתחו את MATLAB בשם הקוד read_Intan_RHS2000_file.m לצורך ניתוח אותות.
    הערה: ניתן להוריד read_Intan_RHS2000_file.מ מ 'מ 'https://intantech.com/downloads.html?tabSelect=Software".
  2. לחץ על הפעל לחצן, בחר את קובץ ההקלטה עם סיומת שם הקובץ ".rhs" והמתן עד שהקובץ יעובד וייקרא.
  3. הזן את הפקודה "plot (t, amplifier_data("channel number",:))" כדי ליצור תרשים קו דו-ממדי של נתוני ההקלטה, למצוא את ה- SEPs ולחשב את המשרעת של SEPs בכל הערוצים.
    הערה: הזן את מספר הערוץ ב"מספר ערוץ". לדוגמה, "plot(t, amplifier_data(1,:))" יוצר את תרשים הקו הדו-ממדי של ערוץ 1. בנוסף, כאשר הנסיין מחשב את המשרעת של התגובה, בחר את התגובה שהוקלטה מכל ערוץ.
  4. קבל נתונים על ידי צביעת הרשת בגוון שונה בהתאם למשרעת של SEPs.
    הערה: הפקודה "imagesc" של MATLAB מסייעת להשיג מפה טופוגרפית במהירות רבה יותר.

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Results

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

פרוטוקול זה מתאר כיצד מערך רב ערוצי גרפן מותקן על פני השטח של המוח. המפה הסומטוסנסורית נבנתה על ידי רכישת תגובות עצביות לגירויים פיזיים וחישוב המשרעת של התגובה. איור 1 מראה את הסכמה של הניסוי הזה.

איור 2A מציג את המאפיינים המבניים של מערך אלקטרודות גרפן. ישנם חורים של המצע בין האלקטרודות. החורים האלה עוזרים לאלקטרודה לבוא במגע יציב עם פני השטח של קליפת המוח (איור 2B). ההיצמדות החזקה של האלקטרודה לקליפת המ...

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Discussion

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

הפרוטוקול המוצג מספק תהליך מעמיק, שלב אחר שלב, המסביר כיצד לגשת ולמפות את התגובות הסומטוסנסוריות של חולדות באמצעות מערך אלקטרודות גרפן. הנתונים שנרכשו בפרוטוקול הם SEPs המספקים מידע סומטוסנסורי המקושר באופן סינפטי לכל חלק בגוף.

יש לשקול מספר היבטים של פרוטוקול זה. בעת שאיבת נוזל מוחי שדרתי כדי למנוע בצקת במוח ולהפחית דלקת, חיוני עבור הנסיין לא לפגוע בגזע המוח הממוקם מול מגננת cisterna.

שפם פנים מספק מידע חושי מישושי על הסביבה, כגון סביבה חשוכה וצרה. בהתאם לכך, שפם מ...

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Disclosures

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

אין לנו מה לחשוף.

Acknowledgements

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

עבודה זו נתמכה על ידי האוניברסיטה הלאומית אינצ'און (קואופרטיב בינלאומי) עבור סונגו יאנג.

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Materials

List of materials used in this article
NameCompanyCatalog NumberComments
מזרק 1 מ"לKOREAVACCINE CORPORATIONמזריק את התרופה להרדמה 
מזרק 3 מ"לKOREAVACCINE CORPORATIONמזריק את התרופה להרדמה 
Bone rongeurFine Science Tools16220-14הסר את מחבר הגולגולת
Gbrainחבר את אלקטרודת הגרפן למקדחת ה-headstage
כליטוחן את מקדחי הגולגולת
שתלOsstemטוחן את הגולגולת
מלקחיים של קשתית Graefe מעוקל מעט מעוקלvubuvudu-02-73010הסר את הרקמה מהגולגולת או המגב מערך
מרובה אלקטרודותגרפן Gbrainמתעד אותות מנוירון
איזופלורן,תאגידמחלל את הנושא
קטמיןיוהאן תאגידהמשמש להרדמה
לידוקאין(2%)Daihan Pharmaceutical הרדמה מקומית
Matlab R2021bMathworksניתוח נתונים תוכנה
המוסטטים יתושיםFine Science Tools91309-12מהדקים את משחת הקרקפת
אלקוןמונעים התייבשות של העין 
התרופות הירוקpovidoneמחטא את אזור החתך
RHS 32ch Stim/Record headstageטכנולוגיות intanM4032מחבר מחבר לכבל ממשק ומכיל שבב גירוי/מגבר RHS
6 רגל (1.8 מ') כבל ממשק Stim SPIintan technologiesM3206חבר אלקטרודת גרפן ל-headstage
תוכנת בקר RHS Stim/הקלטהintan technologiesData Acquisition Software
RHS גירוי/הקלטה בקרintan technologiesM4200
מלחJW אזמל פרמצבטי
HammacherHSB 805-03
מכשיר סטריאוטקסיstoeltingלהדק את הנושא
סטרילי מחטהיפודרמיתKOREAVACCINE CORPORATIONהסר את הדורה מאטר
סטיבן איריס רקמות מלקחייםKASCO50-2026הסר את
הלהב הכירורגי של הדורה מאטר מס' 11FEATHERהחדיר את
ה-sicssors הכירורגיFine Science Tools14090-09החדיר את הקרקפת והסר את
גירוי שפםמקל
קסילזיןבאייר קוריאהמשמש להרדמה
FALCON האנה פארם תאגיד של של הקרקפת העץ של הדורה מאטר

References

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,
  1. Leergaard, T. B., et al. Rat somatosensory cerebropontocerebellar pathways: spatial relationships of the somatotopic map of the primary somatosensory cortex are preserved in a three-dimensional clustered pontine map. Journal of Comparative Neurology. 422 (2), 246-266 (2000).
  2. Craner, S. L., Ray, R. H. Somatosensory cortex of the neonatal pig: I. Topographic organization of the primary somatosensory cortex (SI). Journal of Comparative Neurology. 306 (1), 24-38 (1991).
  3. Benison, A. M., Rector, D. M., Barth, D. S. Hemispheric mapping of secondary somatosensory cortex in the rat. Journal of Neurophysiology. 97 (1), 200-207 (2007).
  4. Lee, M., et al. Graphene-electrode array for brain map remodeling of the cortical surface. NPG Asia Materials. 13 (1), (2021).
  5. Yang, S. C., Weiner, B. D., Zhang, L. S., Cho, S. J., Bao, S. W. Homeostatic plasticity drives tinnitus perception in an animal model. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. 108 (36), 14974-14979 (2011).
  6. Yang, S., Zhang, L. S., Gibboni, R., Weiner, B., Bao, S. W. Impaired development and competitive refinement of the cortical frequency map in tumor necrosis factor-alpha-deficient mice. Cerebral Cortex. 24 (7), 1956-1965 (2014).
  7. Miyakawa, A., et al. Tinnitus correlates with downregulation of cortical glutamate decarboxylase 65 expression but not auditory cortical map reorganization. Journal of Neuroscience. 39 (50), 9989-10001 (2019).
  8. Yang, S., Su, W., Bao, S. Long-term, but not transient, threshold shifts alter the morphology and increase the excitability of cortical pyramidal neurons. Journal of Neurophysiology. 108 (6), 1567-1574 (2012).
  9. Beniczky, S., Schomer, D. L. Electroencephalography: basic biophysical and technological aspects important for clinical applications. Epileptic Disorders. 22 (6), 697-715 (2020).
  10. Kim, S. G., Richter, W., Uğurbil, K. Limitations of temporal resolution in functional MRI. Magnetic Resonance Medicine. 37 (4), 631-636 (1997).
  11. Cho, Z. H., et al. 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. Proteomics. 8 (6), 1302-1323 (2008).
  12. Viventi, J., et al. Flexible, foldable, actively multiplexed, high-density electrode array for mapping brain activity in vivo. Nature Neuroscience. 14 (12), 1599-1605 (2011).
  13. Masvidal-Codina, E., et al. High-resolution mapping of infraslow cortical brain activity enabled by graphene microtransistors. Nature Materials. 18 (3), 280-288 (2019).
  14. Blaschke, B. M., et al. Mapping brain activity with flexible graphene micro-transistors. 2D Materials. 4 (2), 025040(2017).
  15. Park, S. W., et al. Epidural electrotherapy for epilepsy. Small. 14 (30), 1801732(2018).
  16. Lim, J., et al. Hybrid graphene electrode for the diagnosis and treatment of epilepsy in free-moving animal models. NPG Asia Materials. 15 (1), 7(2023).
  17. Hermanns, H., et al. Molecular mechanisms of action of systemic lidocaine in acute and chronic pain: a narrative review. British Journal of Anaesthesia. 123 (3), 335-349 (2019).
  18. Tchoe, Y., et al. Human brain mapping with multithousand-channel PtNRGrids resolves spatiotemporal dynamics. Science Translational Medicine. 14 (628), (2022).
  19. Wilent, W. B., Contreras, D. Dynamics of excitation and inhibition underlying stimulus selectivity in rat somatosensory cortex. Nature Neuroscience. 8 (10), 1364-1370 (2005).
  20. Insanally, M. N., Köver, H., Kim, H., Bao, S. Feature-dependent sensitive periods in the development of complex sound representation. Journal of Neuroscience. 29 (17), 5456-5462 (2009).

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Reprints and Permissions

Request permission to reuse the text or figures of this JoVE article

Request Permission

Tags

Graphene Electrode ArrayBrain MappingCortical MapsSomatosensory CortexNeural Signal RecordingElectrocorticographyStereotaxic SurgeryLocal Field PotentialsHigh Spatiotemporal ResolutionBiocompatible Electrodes

Related Articles