Method Article

グラフェン電極アレイを用いた脳マッピング

DOI:

10.3791/64910

⸱

October 20th, 2023

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

In This Article

Summary

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侵襲性を低減し、時空間分解能を向上させるためのグラフェンアレイベースの脳マッピング手順を紹介します。グラフェンアレイベースの表面電極は、長期的な生体適合性、機械的柔軟性、および複雑な脳における脳マッピングへの適合性を示します。このプロトコルにより、複数の形式の感覚マップを同時に逐次的に構築することができます。

Abstract

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皮質マップは、大脳皮質の感覚運動刺激に対する位置依存的な神経応答の空間的構成を表し、生理学的に関連する行動の予測を可能にします。皮質マップを取得するために、貫通電極、脳波、陽電子放出断層撮影、脳磁図、および機能的磁気共鳴画像法などの様々な方法が用いられてきた。ただし、これらの方法は、時空間分解能が低く、信号対雑音比(SNR)が低く、コストが高く、生体適合性が低いか、脳に物理的損傷を引き起こすために制限されています。本研究では、従来の方法の欠点を克服し、優れた生体適合性、高い時空間分解能、望ましいSNR、および組織損傷の最小化を提供する電気コルチコグラフィーの特徴として、グラフェンアレイベースの体性感覚マッピング法を提案します。この研究は、ラットの体性感覚マッピングのためのグラフェン電極アレイの実現可能性を実証しました。提示されたプロトコルは、体性感覚野だけでなく、聴覚、視覚、運動野などの他の皮質にも適用でき、臨床実装のための高度な技術を提供します。

Introduction

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皮質マップは、大脳皮質の感覚運動刺激に対する応答特性を表す一連の局所パッチです。それらはニューラルネットワークの空間的形成であり、知覚と認知の予測を可能にします。したがって、皮質マップは、外部刺激に対する神経応答を評価し、感覚運動情報を処理するのに役立ちます1,2,3,4。皮質マッピングには、侵襲的および非侵襲的な方法が利用可能です。最も一般的な侵襲的方法の1つは、5,6,7,8をマッピングするための皮質内(または貫通)電極の使用を含む。

貫通電極を用いたオンデマンドの高解像度皮質マップの評価は、いくつかの障害に直面しています。この方法は、まともなマップを取得するには面倒であり、臨床使用のために実装するには侵襲的すぎるため、さらなる開発が禁止されています。脳波記録(EEG)、陽電子放出断層撮影(PET)、脳磁図(MEG)、機能的磁気共鳴画像法(fMRI)などの最近の技術....

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Protocol

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すべての動物の取り扱い手順は、仁川国立大学の施設動物管理および使用委員会によって承認されました(INU-ANIM-2017-08)。

1.手術のための動物の準備

注:この実験では、性別バイアスのないSprague Dawley Rat(8〜10週齢)を使用してください。

  1. 90 mg / kgのケタミンと10 mg / kgのキシラジンカクテルでラットを腹腔内に麻酔します。.手術中ずっと望ましい麻酔深度を維持するために、ラットが目覚めの兆候を示したときに、追加の45 mg / kgケタミンと5 mg / kgキシラジンカクテルを提供します。
  2. ラットが深い麻酔下にあることを確認し、つま先ピンチ、テールピンチ、角膜反射などの体の反射を定期的にチェックします。
  3. トリマーを使用して目と耳の後ろの間の毛皮を剃ります。
  4. 眼科用軟膏を目に塗り、乾燥を防ぎます。

2.皮質表面露出の手術

  1. ラットの頭を定位固定装置に固定します 定位固定アダプター。手術中に体温を37°Cに維持するには、ラットを温度制御された加熱パッドの上に置きます。
  2. 剃った部分をアルコールとポビドンヨードのスクラブを交互に3....

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Results

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このプロトコルは、グラフェンマルチチャンネルアレイが脳の表面にどのように取り付けられるかを記述します。体性感覚マップは、物理的刺激に対する神経応答を取得し、応答の振幅を計算することによって構築されました。図1にこの実験の概略 図 を示す。

図2A は、グラフェン電極アレイの構造特性を示しています。電極間に基板の貫通穴があります。これらの穴は、電極が皮質表面にしっかりと接触するのに役立ちます(図2B)。皮質への電極の強い接着は、より少ないノイズで神経信号を記録するのに役立ちます。

図2C (左)は、異なる色でコード化されたひげ、体幹、足、および手足を刺激することによって獲得された位置依存性神経応答を示しています。ラットのミニチュア体であるラットホムンクルスは、体性感覚皮質マップの各色サイズの実.......

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Discussion

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提示されたプロトコルは、グラフェン電極アレイを使用してラットの体性感覚応答にアクセスしてマッピングする方法を説明する詳細な段階的なプロセスを提供します。プロトコルで取得されたデータは、各身体部位にシナプス的にリンクされた体性感覚情報を提供するSEPです。

このプロトコルのいくつかの側面を考慮する必要があります。脳浮腫を予防し、炎症を軽減するために脳脊髄液を抽出する場合、実験者は大槽の前にある脳幹を損傷しないことが重要です。

顔のひげは、暗くて狭い環境など、周囲に関する触覚的な感覚情報を提供します。したがって、げっ歯類のウィスカーは、たわみ方向、刺激強度、および刺激されたウィスカーの位置を通じて物体を感知するのに十分に発達しています。体性感覚皮質は、各ウィスカーの曲げ方向、強度、および位置に異なる方法で応答します18,19。したがって、このプロトコルでは、すべてのウィスカーが一定の強度と方向で刺激されます。

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Disclosures

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

開示するものは何もありません。

Acknowledgements

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

この研究は、仁川国立大学(国際協力)の支援を受けて、楊成谷宋のために行われました。

....

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Materials

List of materials used in this article
NameCompanyCatalog NumberComments
麻酔薬を注射1mL注射器KOREAVACCINE CORPORATION
3mLシリンジKOREAVACCINE CORPORATION 
骨ロンジャーファインサイエンスツール16220-14Gbrain
FALCONツール
ドリルビットOsstem
を研削グレーフ虹彩鉗子わずかに湾曲した鋸歯状のvubuudu-02-73010組織を削除します頭蓋骨からまたはホールドワイパー
グラフェン多電極アレイGbrain
イソフルランHana Pharm Corporation
ケタミンユハン株式会社
リドカイン(2%)ダイハン医薬品 局所麻酔薬
Matlab R2021bMathworksデータ分析 ソフトウェア
蚊止血剤ファインサイエンスツール91309-12頭皮軟膏を固定
アルコン目が乾くのを防ぎます 
povidoneグリーンファーマシューティカルコーポレーションは、切開部を消毒します
RHS 32ch Stim/Record headstageintan technologiesM4032コネクタをインターフェースケーブルに接続し、intan RHS stim/amplifierチップを含む
RHS 6-ft (1.8m) Stim SPI インターフェースケーブルintan technologiesM3206グラフェン電極をヘッドステージ
RHS Stim/Recording Controller ソフトウェアに接続しますintan technologiesデータ収集ソフトウェア
RHS 刺激/記録コントローラーintan technologiesM4200
生理食塩水JW 医薬品
メスハンマッハHSB 805-03
定位固定装置被験者を固定
滅菌 皮下注射針KOREAVACCINE CORPORATIONは、硬膜
ブンアイリス組織鉗子KASCO50-2026膜外科
用ブレードno.11FEATHERは頭皮の
外科用sicssorsファインサイエンスツール14090-09頭皮をinscisし、硬膜
木製スティックウィスカー刺激
ラジンバイエル韓国麻酔に使用
する 麻酔薬を注射する頭蓋骨コネクタを取り外すヘッドステージドリルにグラフェン電極を接続し、頭蓋骨を研削するインプラント頭蓋骨は、ニューロンからの信号を記録し、麻酔リドカイン(2%)のために使用される被験者を冒涜しますする は、します スティー硬を除去しますキシ

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.

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