Method Article

Mappatura cerebrale utilizzando un array di elettrodi di grafene

DOI:

10.3791/64910

⸱

October 20th, 2023

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

* These authors contributed equally

In This Article

Summary

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

Presentiamo una procedura di mappatura cerebrale basata su array di grafene per ridurre l'invasività e migliorare la risoluzione spazio-temporale. Gli elettrodi di superficie basati su array di grafene mostrano biocompatibilità a lungo termine, flessibilità meccanica e idoneità per la mappatura cerebrale in un cervello contorto. Questo protocollo consente di costruire più forme di mappe sensoriali contemporaneamente e in sequenza.

Abstract

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

Le mappe corticali rappresentano l'organizzazione spaziale delle risposte neurali dipendenti dalla posizione agli stimoli sensomotori nella corteccia cerebrale, consentendo la previsione di comportamenti fisiologicamente rilevanti. Vari metodi, come gli elettrodi penetranti, l'elettroencefalografia, la tomografia a emissione di positroni, la magnetoencefalografia e la risonanza magnetica funzionale, sono stati utilizzati per ottenere mappe corticali. Tuttavia, questi metodi sono limitati da una scarsa risoluzione spazio-temporale, da un basso rapporto segnale/rumore (SNR), da costi elevati e dalla non biocompatibilità o causano danni fisici al cervello. Questo studio propone un metodo di mappatura somatosensoriale basato su array di grafene come caratteristica dell'elettrocorticografia che offre una biocompatibilità superiore, un'elevata risoluzione spazio-temporale, un SNR desiderabile e un danno tissutale ridotto al minimo, superando gli inconvenienti dei metodi precedenti. Questo studio ha dimostrato la fattibilità di un array di elettrodi di grafene per la mappatura somatosensoriale nei ratti. Il protocollo presentato può essere applicato non solo alla corteccia somatosensoriale ma anche ad altre cortecce come la corteccia uditiva, visiva e motoria, fornendo una tecnologia avanzata per l'implementazione clinica.

Introduction

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

Una mappa corticale è un insieme di chiazze locali che rappresentano le proprietà di risposta agli stimoli sensomotori nella corteccia cerebrale. Sono una formazione spaziale di reti neurali e consentono la previsione della percezione e della cognizione. Pertanto, le mappe corticali sono utili per valutare le risposte neurali agli stimoli esterni e per elaborare le informazioni sensomotorie 1,2,3,4. Sono disponibili metodi invasivi e non invasivi per la mappatura corticale. Una delle metodiche invasive più comuni prevede l'uso di elettrodi intracorticali (o penetranti) perla mappatura 5,6,7,8.

La valutazione delle mappe corticali ad alta risoluzione su richiesta utilizzando elettrodi penetranti ha incontrato diversi ostacoli. Il metodo è troppo laborioso per ottenere una mappa decente e troppo invasivo per essere implementato per uso clinico, impedendo ulteriori sviluppi. Tecnologie più recenti come l'elettroencefalografia (EEG), la tomografia a emissione di positroni (PET), la magnetoencefalografia (MEG) e la risonanza magnetica funzionale (fMRI) hanno guadagnato popolarità perché sono meno invasive e riproducibili. Tuttavia, dati i loro costi proibitivi e la scarsa risoluzione, vengono utilizzati in un numero limitato di casi 9,10,11. Recentemente, gli elettrodi di superficie flessibili con un'affidabilità del segnale superiore hanno attirato una notevole attenzione. Gli elettrodi di superficie a base di grafene dimostrano biocompatibilità a lungo termine e flessibilità meccanica, fornendo registrazioni stabili in un cervello contorto 12,13,14,15,16. Il nostro gruppo ha recentemente sviluppato un array multicanale a base di grafene per la registrazione ad alta risoluzione e la neurostimolazione sito-specifica sulla superficie corticale. Questa tecnologia ci permette di tenere traccia delle rappresentazioni corticali delle informazioni sensoriali per un periodo prolungato.

Questo articolo descrive i passaggi necessari per acquisire una mappa cerebrale della corteccia somatosensoriale utilizzando un array multielettrodo di grafene a 30 canali. Per misurare l'attività cerebrale, un array di elettrodi di grafene viene posizionato sull'area subdurale della corteccia, mentre la zampa anteriore, l'arto anteriore, la zampa posteriore, l'arto posteriore, il tronco e i baffi vengono stimolati con un bastoncino di legno. I potenziali evocati somatosensoriali (SEP) vengono registrati per le aree somatosensoriali. Questo protocollo può essere applicato anche ad altre aree cerebrali, come la corteccia uditiva, visiva e motoria.

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Protocol

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Tutte le procedure di gestione degli animali sono state approvate dal Comitato Istituzionale per la Cura e l'Uso degli Animali dell'Università Nazionale di Incheon (INU-ANIM-2017-08).

1. Preparazione dell'animale per l'intervento chirurgico

NOTA: Utilizzare Sprague Dawley Rat (8-10 settimane) senza pregiudizi sessuali per questo esperimento.

  1. Anestetizzare il ratto con 90 mg/kg di ketamina e 10 mg/kg di cocktail di xilazina per via intraperitoneale. Per mantenere la profondità di anestesia desiderata durante l'intervento, fornire un supplemento di 45 mg/kg di ketamina e 5 mg/kg di cocktail di xilazina quando il ratto mostra segni di risveglio.
  2. Verificare che il ratto sia in anestesia profonda e controllare regolarmente i riflessi del corpo come il pizzicamento delle dita dei piedi, il pizzicamento della coda e il riflesso corneale.
  3. Radere il pelo tra gli occhi e la parte posteriore delle orecchie usando un rifinitore.
  4. Applicare un unguento oftalmico sugli occhi per evitare che si secchino.

2. Chirurgia per l'esposizione della superficie corticale

  1. Fissare la testa di ratto sull'apparecchio stereotassico con un adattatore stereotassico. Per mantenere la temperatura corporea di 37 °C durante l'intervento, posizionare il ratto su un termoforo a temperatura controllata.
  2. Sterilizzare la zona rasata con scrub alternati di alcool e iodio povidone per tre volte.
  3. Utilizzare una pinza per afferrare saldamente il cuoio capelluto e iniettare 0,1 ml di lidocaina (2%) con una siringa direttamente nel cuoio capelluto per indurre l'anestesia locale nell'area chirurgica.
  4. Fai un'incisione sulla linea mediana lunga 2-3 cm con un bisturi e separa il cuoio capelluto per esporre il cranio.
  5. Blocca il cuoio capelluto con una pinza per zanzare per esporre il cranio.
  6. Grattare la superficie del cranio con una pinza per rimuovere il periostio.
  7. Smussare sezionare i muscoli sopra il cranio occipitale per esporre la cisterna magna sopra l'asse sulla parte superiore del midollo spinale.
  8. Incidere la cisterna magna con la lama per drenare il liquido cerebrospinale e mettere una garza sterile all'interno dell'incisione della cisterna magna per assorbire costantemente il liquido cerebrospinale per prevenire l'edema cerebrale e ridurre al minimo l'infiammazione.
  9. Usando una matita, segnare sul cranio una finestra rettangolare di 3 mm nell'asse antero-posteriore e 6 mm in direzione laterale destra dal bregma dell'emisfero destro.
    NOTA: La marcatura deve garantire una distanza di 1 mm dalla linea mediana per evitare la rottura del seno sagittale superiore.
  10. Forare l'area contrassegnata secondo la coordinata stereotassica e rimuovere il cranio con un rongeur osseo.
  11. Per rimuovere la dura madre, piegare la punta dell'ago da 26 G a 90°, creare un foro nella dura madre, sollevare la dura madre, inserire una pinza in quel foro e strapparla con una pinza.
  12. Metti una garza bagnata con soluzione salina sulla corteccia somatosensoriale per evitare che si secchi.

3. Preparazione dell'array di elettrodi di grafene collegato al sistema di registrazione

  1. Preparare un array di elettrodi di grafene con un connettore omnetics.
    1. Staccare l'array di multielettrodi di grafene senza causare danni applicando la soluzione salina.
    2. Rimuovere il rivestimento esterno dei cavi di riferimento e di terra dal connettore.
  2. Collegare lo stadio di testa con l'array di elettrodi di grafene al connettore.
  3. Collegare il cavo di interfaccia collegato al palco principale al sistema di registrazione.
  4. Fissare il complesso dell'array di elettrodi di grafene nel braccio stereotassico.
  5. Per catturare i segnali neurali da tutti i canali, posizionare l'array sulla corteccia somatosensoriale senza alcuna flessione, seguendo le coordinate stereotassiche predeterminate.
  6. Posizionare un filo di riferimento sotto il tessuto dietro l'osso occipitale e collegare il filo di terra al tavolo ottico con messa a terra.

4. Stimolazione fisica e registrazione dei SEP per la mappatura

  1. Aprire il software di registrazione del segnale neurale.
  2. Impostare l'ambiente del software di registrazione: (1) impostare la frequenza di campionamento per i SEP e il filtro notch (60 o 50 Hz, una frequenza dell'energia elettrica domestica) per rimuovere il rumore dalla linea elettrica.
  3. Per la mappatura dei baffi, piega i baffi con un bastoncino fine.
  4. Colpisci costantemente la zampa anteriore, l'arto anteriore, la zampa posteriore, l'arto posteriore e il tronco con un bastoncino di legno per mappare il corpo.
  5. Registrare i segnali neurali nel sistema di acquisizione dati per il tempo indicato.

5. Eutanasia animale

  1. Dopo tutte le procedure di registrazione, sacrificare i ratti con l'anestesia utilizzando l'isoflurano al >5% ed eseguire la dissezione cervicale.

6. Misurazione SEP per la mappatura corticale

  1. Apri MATLAB, nome in codice read_Intan_RHS2000_file.m, per l'analisi dei segnali.
    NOTA: read_Intan_RHS2000_file.m può essere scaricato da "https://intantech.com/downloads.html?tabSelect=Software".
  2. Fare clic sul pulsante Esegui , selezionare il file di registrazione con l'estensione ".rhs" e attendere che il file venga elaborato e letto.
  3. Immettere il comando "plot (t, amplifier_data("channel number",:))" per creare un grafico a linee 2D dei dati di registrazione, trovare i SEP e calcolare l'ampiezza dei SEP in tutti i canali.
    NOTA: Immettere il numero del canale in "numero canale". Ad esempio, "plot(t, amplifier_data(1,:))" crea il grafico a linee 2D del canale 1. Inoltre, quando lo sperimentatore calcola l'ampiezza della risposta, sceglie la risposta registrata da ciascun canale.
  4. Ottenere i dati colorando la griglia con una tonalità diversa in base all'ampiezza dei SEP.
    NOTA: Il comando MATLAB "imagesc" consente di ottenere una mappa topografica più rapidamente.

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Results

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

Questo protocollo descrive il modo in cui un array multicanale di grafene viene montato sulla superficie del cervello. La mappa somatosensoriale è stata costruita acquisendo risposte neurali a stimoli fisici e calcolando l'ampiezza della risposta. La Figura 1 mostra lo schema di questo esperimento.

La Figura 2A presenta le caratteristiche strutturali di un array di elettrodi in grafene. Ci sono fori passanti del substrato tra gli elet...

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Discussion

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

Il protocollo presentato fornisce un processo approfondito e passo dopo passo che spiega come accedere e mappare le risposte somatosensoriali dei ratti utilizzando un array di elettrodi di grafene. I dati acquisiti dal protocollo sono SEP che forniscono informazioni somatosensoriali che sono sinapticamente collegate a ciascuna parte del corpo.

Diversi aspetti di questo protocollo dovrebbero essere considerati. Quando si estrae il liquido cerebrospinale per prevenire l'edema cerebrale e mitigar...

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Disclosures

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

Non abbiamo nulla da rivelare.

Acknowledgements

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

Questo lavoro è stato sostenuto dall'Università Nazionale di Incheon (International Cooperative) per Sunggu Yang.

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Materials

List of materials used in this article
NameCompanyCatalog NumberComments
Siringa da 1 mlKOREAVACCINE CORPORATIONche inietta il farmaco per l'anestesia 
Siringa da 3 mlKOREAVACCINE CORPORATIONche inietta il farmaco per l'anestesia 
Bone rongeurFine Science Tools16220-14rimuovere il connettore del cranio
GbrainCollegare l'elettrodo di grafene al trapano per headstage
Strumentomacinare le punte del trapano del cranio
ImpiantoOsstemrettificare il cranio
Graefe pinza dell'iride leggermente curva seghettatavubuvudu-02-73010rimuovere il tessuto dal cranio o tenere tergicristallo
grafene multielettrodo arrayGbrainregistra segnali dal neurone
isofluranoHana Pharm Corporationsacrifce il soggetto
ketaminayuhan corporationutilizzato per l'anestesia
lidocaina (2%)Daihan farmaceutico anestetico locale
Matlab R2021bMathworksSoftware di analisi dei dati
emostatici per zanzareFine Science Tools91309-12allaccia l'unguento per il cuoio capelluto
Alconpreviene la secchezza degli occhi 
povidoneGreen Pharmaceutical Corporationdisinfetta l'area dell'incisione
RHS 32ch Stim/Record headstageintan technologiesM4032collega il connettore al cavo di interfaccia e contiene il chip stim/amplificatore
RHS RHS 6-ft (1.8m) Stim SPI interface cableintan technologiesM3206collega l'elettrodo di grafene al
software del controller RHS Stim/Recordingintan technologiesSoftware di acquisizione dati
Controller di stimolazione/ registrazione RHSintan technologiesM4200
soluzione salinaJW Bisturi farmaceutico
HammacherHSB 805-03
strumento stereotassicostoeltingfissare il soggetto
sterile AgoipodermicoKOREAVACCINE CORPORATIONrimuovere la dura mater
Steven Iris Tile ForcepsKASCO50-2026rimuovere la
lama chirurgica della dura madre n. 11FEATHERinscise il cuoio capelluto
sicssors chirurgici FineScience Tools14090-09inscise il cuoio capelluto e rimuovere la dura mater
bastonebaffi stimolazione
xilazinaBayer Coreausata per l'anestesia
FALCON di legno

References

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