グラフェン電極アレイを用いた脳マッピング

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。知覚と認知の予測を提供できるニューラルネットワークの空間的形成を発見することができます。したがって、皮質マップは、外部刺激からの神経応答と感覚運動情報の処理を研究するために使用されます 皮質マップを作成するには、侵襲的および非侵襲的な方法があります。

皮質内電極の使用は、大脳皮質のマッピングに使用される最も一般的な侵襲的方法の1つです。高解像度のために脳に損傷を与える可能性があるため、それ以上の測定が妨げられます。EEG、PET、MEG、fMRIなどの代替脳マッピングツールは、全脳マッピングと繰り返しサンプリングを可能にする非侵襲的な方法です。

しかしながら、いくつかの欠点は、低い空間時間分解能、時間的遅れ、不特定の変調入力による誤差および法外なコストである。カルシウムイメージングや光遺伝学的fMRIなどの光学技術は、大規模な脳マッピングを提供しますが、指標毒性と空間時間分解能が低いため、臨床的に有益ではありません。グラフェン電極アレイは、長期的な生体適合性と機械的柔軟性を示し、複雑な脳の安定した記録を提供します。

最近、私たちのグループは、皮質表面の神経信号を高解像度で記録するグラフェン電極アレイを開発しました。このプロトコルは、グラフェン電極アレイを使用して、SDラットの前足、前肢、後肢、後肢、体幹、およびウィスカーからのSEPを記録し、皮質マップを作成します。ケタミンの場合は90ミリグラム/キログラム、キシラジンの場合は10ミリグラム/キログラムの用量を使用して、ケタミンとキシラジンカクテルの腹腔内注射を投与します。.

手術中ずっと麻酔の深さを維持するために、ラットが目覚めの兆候を示している場合は、1キログラムあたり45ミリグラムのケタミンを注射し、1キログラムあたり5ミリグラムのキシラジンカクテルを注射します。つま先をつまんで麻酔の深さを確認します。ラットが震えた場合は、反応がなくなるまでさらに数分待ちます。

トリマーを使用して、目の間のスペースから耳の後ろまでラットの頭の毛皮を剃ります。次に、眼科用軟膏を目に塗ります。イヤーバーと定位固定アダプターを使用して、ラットの頭を定位固定装置に固定します。

ラットの頭が正しく固定されていることを確認してください。剃った部分をポビドンに浸した綿の交換で滅菌します。剃った部分をアルコールでこすります。

滅菌プロセスを3回繰り返します。次に、0.1ミリリットルの2%リドカインを頭皮に注入して局所麻酔を誘発します。2〜3センチメートルの正中線切開を作成し、頭皮を横方向に引き離して頭蓋骨を露出させます。

頭皮を固定して、蚊の鉗子で頭蓋骨を露出させます。鉗子で頭蓋骨の表面を引っ掻いて骨膜を取り除くことから始めます。ラムダに向かって直線で、後縁の後頭骨の後ろの筋肉を引き裂くことによって胸骨大を見つけます。

顕微鏡を使用して、大槽を詳しく見ることができます。システルナマグナをそっと切ります。大槽を引き裂いた後、脳脊髄液が流出します。

コイル状の滅菌ガーゼで脳脊髄液を排出し、脳を沈めます。ブレグマの位置に従って、事前定義された立体固定座標に基づいてグラフェン電極が配置される場所に印を付けます。体性感覚皮質は、右半球頭蓋骨のブレグマから前後軸に3ミリメートル、右外側方向に6ミリメートルの位置にあります。

固定装置座標に従ってマークされた領域をドリルします。骨のロンジャーで頭蓋骨を取り除きます。綿棒を26本の派手な針に刺します。

針を90度に曲げます。硬膜を取り外すには、曲がった針を使用して穴を開けます。硬膜を上に持ち上げ、その穴に鉗子を挿入し、ハサミで硬膜を切るか、鉗子で引き裂きます。

生理食塩水で湿らせた滅菌ガーゼを体性感覚皮質に取り付けて、皮質が乾燥するのを防ぎます。生理食塩水を適用して損傷を与えることなくグラフェン多電極アレイを取り外します。基準線とアース線の外側カバーをコネクタから取り外します。

マッピング用にグラフェン多電極アレイをセットアップするには、ヘッドステージをコネクタに接続します。グラフェン電極アレイをコネクタに接続します。インターフェイスケーブルを録音コントローラに差し込みます。

グラフェン多電極アレイとコネクタ複合体をインターフェースケーブルに接続します。次に、グラフェン多電極アレイ複合体を固定装置アームに固定します。グラフェン電極アレイを、事前定義された立体固定座標に基づいて体性感覚野上に配置します。

後頭骨の後ろの組織に基準ワイヤーを置きます。次に、アース線を接地された光学テーブルに接続します。録音ソフトウェアを開き、サンプリングレートを30キロヘルツに設定して、[OK]ボタンをクリックします。

60ヘルツのノッチフィルターを設定して、電源からノイズを除去します。細い棒でひげを曲げます。データ収集システムを介して神経信号を所望の時間記録します。

これらの信号は、ひげの刺激によって得られる神経信号です。他の体の部分も同じように刺激してSEPを記録します。read_Intan_RHS2000 ファイルという名前の MATLAB コードを開きます。

[実行] ボタンをクリックします。録音ファイルを選択してそのファイルをクリックし、ファイルが読み取られるのを待ちます。コマンドプロットを入力して、2Dラインプロットを作成します。

刺激に応答した代表的なピーク信号を選択し、最大値と最小値を測定してSEPの振幅を計算します。SEPの振幅に応じて異なる色合いでグレードを着色することにより、地形図を取得します。グラフェン電極アレイは左側にあります。

すべての電極間に基板の貫通穴があります。これらの穴は、電極が皮質との強い接触を維持するのに役立ちます。右の画像は、皮質上の電極アレイを示しています。

左側には、ラットの体のさまざまな部分への刺激によって引き起こされる各位置依存の神経応答の比率がラットの形で表示されています。各ボディパーツは異なる色で表されます。これにより、体性感覚皮質マップが構成されます。

右の次の図は、皮質の表面に配置されたマルチチャネルグラフェン電極を介して得られた刺激特異的応答を示しています。各色付きのボックスは、さまざまな体の部分が30のチャネルで行った応答を表します。上の図は、グラフェン電極アレイを使用して体性感覚野の表面で検出されたLFPを表しています。

カラーバーは、振幅が大きいほど暗い色合いで表され、各色が異なる身体部分を表すことを示しています。図は、カラーバーの色合いに基づいて振幅を曲げます。げっ歯類のこのホムンクルスは、今説明した結果を使用して作成されました。

特定の体の部分の振幅が大きいほど、ホモンクルスに描かれる振幅が大きくなります。下の図は、各身体部分から収集されたLFPの個別のデータを表しています。これは、カラーバーに基づいて検出されたLFPのさまざまな振幅を表します。

この手順にはいくつかの注意事項があります。脳脊髄液を除去するとき、実験者は脳幹または脊髄に触れないように注意する必要があります。このステップには練習が必要です。

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の位置を感知するのに十分発達しています。そのため、このプロトコルではウィスカーを一定の方向と強度で刺激する必要があります。他の体の部分も一貫して刺激する必要があります。

このプロトコルの制限は、グラフェン電極アレイが皮質表面に取り付けられているため、脳深部構造で誘発された信号を記録できないことです。したがって、実験者は、神経応答に関して柱状ネットワークがどのように階層的に編成されているかを特定できません。それにもかかわらず、このプロトコルは、実験者が電極アレイが配置される複数の領域を変更する場合にさらに適用することができる。

例えば、実験者が聴覚または視覚野に電極を配置して聴覚および視覚情報を抽出した場合、聴覚または視覚マップを取得できます。また、このプロトコルは、グラフェン多電極アレイの慢性移植に拡張することができる。