Name: グラフェン電極アレイを用いた脳マッピング (動画) | JoVE Journal
Uploaded: 2023-10-20T14:45:00.000+00:00
Duration: 10 min 32 s
Description: 学ぶグラフェン電極アレイを用いた脳マッピング法。SDラットの感覚誘発電位を高解像度で記録し、体性感覚皮質の空間的組織を明らかにする。侵襲性を最小限に抑えた革新的な神経科学手法である。

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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。

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。
<ol><li>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。</li>
	<li>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。</li>
	<li>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。</li>
	<li>眼科用軟膏を目に塗り、乾燥を防ぎます。</li>
</ol>2.皮質表面露出の手術
<ol><li>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。</li>
	<li>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回滅菌します。</li>
	<li>鉗子で頭皮をしっかりとつかみ、注射器でリドカイン0.1mL(2%)を直接頭皮に注入し、手術部位に局所麻酔を誘導します。</li>
	<li>メスで長さ2〜3cmの正中線を切開し、頭皮を引き離して頭蓋骨を露出させます。</li>
	<li>頭蓋骨を露出させるために蚊の鉗子で頭皮を固定します。</li>
	<li>鉗子で頭蓋骨の表面を引っ掻いて骨膜を取り除きます。</li>
	<li>鈍い 後頭蓋骨の上の筋肉を解剖して、脊髄上部の軸の上に大槽を露出させます。</li>
	<li>大槽を刃で切開して脳脊髄液を排出し、大槽の切開部内に滅菌ガーゼを入れて脳脊髄液を常に吸収し、脳浮腫を防ぎ、炎症を最小限に抑えます。</li>
	<li>鉛筆を使用して、右半球のブレグマから前後軸で3 mm、右横方向に6 mmの長方形の窓を頭蓋骨に印を付けます。 注意: マーキングは、上矢状洞破裂を避けるために、正中線から1mmの距離を確保する必要があります。</li>
	<li>固定装置座標に従ってマークされた領域をドリルし、骨ロンジャーで頭蓋骨を取り除きます。</li>
	<li>硬膜を取り除くには、26 Gの針の先端を90°に曲げ、硬膜に穴を開け、硬膜を持ち上げ、その穴に鉗子を挿入し、鉗子で引き裂きます。</li>
	<li>生理食塩水で湿らせたガーゼを体性感覚皮質に置き、乾燥を防ぎます。</li>
</ol>3. 記録系に接続したグラフェン電極アレイの作製
<ol><li>オムネティクスコネクタを備えたグラフェン電極アレイを準備します。<ol><li>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。</li>
		<li>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。</li>
	</ol></li>
	<li>ヘッドステージとグラフェン電極アレイをコネクタに接続します。</li>
	<li>ヘッドステージにリンクされているインターフェースケーブルを録音システムに接続します。</li>
	<li>グラフェン電極アレイ複合体を脳定位固定アームに固定します。</li>
	<li>すべてのチャネルからの神経信号をキャプチャするには、所定の定位固定座標に従って、曲がらずに体性感覚野上にアレイを配置します。</li>
	<li>後頭骨の後ろの組織の下に基準線を置き、接地された光学テーブルにアース線を接続します。</li>
</ol>4.マッピングのための物理的刺激と記録SEP
<ol><li>ニューラル信号記録ソフトウェアを開きます。</li>
	<li>録音ソフトウェア環境の設定:(1)SEPのサンプリングレートとノッチフィルター(60または50Hz、家庭用電力の周波数)を設定して、電源ラインからノイズを除去します。</li>
	<li>ウィスカマッピングの場合は、細いスティックでウィスカを曲げます。</li>
	<li>ボディマッピング用の木の棒で前足、前肢、後足、後肢、体幹を常に突く。</li>
	<li>データ取得システムに指示された時間、神経信号を記録します。</li>
</ol>5.動物の安楽死
<ol><li>すべての記録手順の後、>5%イソフルランを使用して麻酔でラットを犠牲にし、頸部解剖を行います。</li>
</ol>6. 皮質マッピングのためのSEP測定
<ol><li>信号解析のためにコードネーム read_Intan_RHS2000_file.m の MATLAB を開きます。 注:read_Intan_RHS2000_file.mは「https://intantech.com/downloads.html?tabSelect=Software」からダウンロードできます。</li>
	<li>[実行]ボタンをクリックし、ファイル名拡張子が「.rhs」の録音ファイルを選択して、ファイルが処理されて読み取られるのを待ちます。</li>
	<li>コマンド「plot(t, amplifier_data("チャンネル番号",:))」を入力して、記録データの2Dラインプロットを作成し、SEPを見つけて、すべてのチャンネルのSEPの振幅を計算します。 注意: 「チャンネル番号」にチャンネル番号を入力します。たとえば、"plot(t, amplifier_data(1,:))" と指定すると、チャンネル 1 の 2D 折れ線グラフが作成されます。さらに、実験者が応答の振幅を計算するときに、各チャンネルから記録された応答を選択します。</li>
	<li>SEPの振幅に応じてグリッドを異なる色相で着色してデータを取得します。 注: MATLAB コマンド "imagesc" は、地形図をより迅速に取得するのに役立ちます。</li>
</ol>

<ol><li>Leergaard, T. B., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Rat+somatosensory+cerebropontocerebellar+pathways%3A+spatial+relationships+of+the+somatotopic+map+of+the+primary+somatosensory+cortex+are+preserved+in+a+three-dimensional+clustered+pontine+map%5BTitle%5D)+AND+%22Journal+of+Comparative+Neurology%22%5BJournal%5D)">Rat somatosensory cerebropontocerebellar pathways: spatial relationships of the somatotopic map of the primary somatosensory cortex are preserved in a three-dimensional clustered pontine map.</a> Journal of Comparative Neurology. 422 (2), 246-266 (2000).</li>
<li>Craner, S. L., Ray, R. H. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Somatosensory+cortex+of+the+neonatal+pig%3A+I.+Topographic+organization+of+the+primary+somatosensory+cortex+%28SI%29%5BTitle%5D)+AND+%22Journal+of+Comparative+Neurology%22%5BJournal%5D)">Somatosensory cortex of the neonatal pig: I. Topographic organization of the primary somatosensory cortex (SI).</a> Journal of Comparative Neurology. 306 (1), 24-38 (1991).</li>
<li>Benison, A. M., Rector, D. M., Barth, D. S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Hemispheric+mapping+of+secondary+somatosensory+cortex+in+the+rat%5BTitle%5D)+AND+%22Journal+of+Neurophysiology%22%5BJournal%5D)">Hemispheric mapping of secondary somatosensory cortex in the rat.</a> Journal of Neurophysiology. 97 (1), 200-207 (2007).</li>
<li>Lee, M., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Graphene-electrode+array+for+brain+map+remodeling+of+the+cortical+surface%5BTitle%5D)+AND+%22NPG+Asia+Materials%22%5BJournal%5D)">Graphene-electrode array for brain map remodeling of the cortical surface.</a> NPG Asia Materials. 13 (1), (2021).</li>
<li>Yang, S. C., Weiner, B. D., Zhang, L. S., Cho, S. J., Bao, S. W. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Homeostatic+plasticity+drives+tinnitus+perception+in+an+animal+model%5BTitle%5D)+AND+%22Proceedings+of+the+National+Academy+of+Sciences+of+the+United+States+of+America%22%5BJournal%5D)">Homeostatic plasticity drives tinnitus perception in an animal model.</a> Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. 108 (36), 14974-14979 (2011).</li>
<li>Yang, S., Zhang, L. S., Gibboni, R., Weiner, B., Bao, S. W. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Impaired+development+and+competitive+refinement+of+the+cortical+frequency+map+in+tumor+necrosis+factor-alpha-deficient+mice%5BTitle%5D)+AND+%22Cerebral+Cortex%22%5BJournal%5D)">Impaired development and competitive refinement of the cortical frequency map in tumor necrosis factor-alpha-deficient mice.</a> Cerebral Cortex. 24 (7), 1956-1965 (2014).</li>
<li>Miyakawa, A., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Tinnitus+correlates+with+downregulation+of+cortical+glutamate+decarboxylase+65+expression+but+not+auditory+cortical+map+reorganization%5BTitle%5D)+AND+%22Journal+of+Neuroscience%22%5BJournal%5D)">Tinnitus correlates with downregulation of cortical glutamate decarboxylase 65 expression but not auditory cortical map reorganization.</a> Journal of Neuroscience. 39 (50), 9989-10001 (2019).</li>
<li>Yang, S., Su, W., Bao, S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Long-term%2C+but+not+transient%2C+threshold+shifts+alter+the+morphology+and+increase+the+excitability+of+cortical+pyramidal+neurons%5BTitle%5D)+AND+%22Journal+of+Neurophysiology%22%5BJournal%5D)">Long-term, but not transient, threshold shifts alter the morphology and increase the excitability of cortical pyramidal neurons.</a> Journal of Neurophysiology. 108 (6), 1567-1574 (2012).</li>
<li>Beniczky, S., Schomer, D. L. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Electroencephalography%3A+basic+biophysical+and+technological+aspects+important+for+clinical+applications%5BTitle%5D)+AND+%22Epileptic+Disorders%22%5BJournal%5D)">Electroencephalography: basic biophysical and technological aspects important for clinical applications.</a> Epileptic Disorders. 22 (6), 697-715 (2020).</li>
<li>Kim, S. G., Richter, W., Uğurbil, K. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Limitations+of+temporal+resolution+in+functional+MRI%5BTitle%5D)+AND+%22Magnetic+Resonance+Medicine%22%5BJournal%5D)">Limitations of temporal resolution in functional MRI.</a> Magnetic Resonance Medicine. 37 (4), 631-636 (1997).</li>
<li>Cho, Z. H., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((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%5BTitle%5D)+AND+%22Proteomics%22%5BJournal%5D)">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.</a> Proteomics. 8 (6), 1302-1323 (2008).</li>
<li>Viventi, J., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Flexible%2C+foldable%2C+actively+multiplexed%2C+high-density+electrode+array+for+mapping+brain+activity+in+vivo%5BTitle%5D)+AND+%22Nature+Neuroscience%22%5BJournal%5D)">Flexible, foldable, actively multiplexed, high-density electrode array for mapping brain activity in vivo.</a> Nature Neuroscience. 14 (12), 1599-1605 (2011).</li>
<li>Masvidal-Codina, E., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((High-resolution+mapping+of+infraslow+cortical+brain+activity+enabled+by+graphene+microtransistors%5BTitle%5D)+AND+%22Nature+Materials%22%5BJournal%5D)">High-resolution mapping of infraslow cortical brain activity enabled by graphene microtransistors.</a> Nature Materials. 18 (3), 280-288 (2019).</li>
<li>Blaschke, B. M., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Mapping+brain+activity+with+flexible+graphene+micro-transistors%5BTitle%5D)+AND+%222D+Materials%22%5BJournal%5D)">Mapping brain activity with flexible graphene micro-transistors.</a> 2D Materials. 4 (2), 025040(2017).</li>
<li>Park, S. W., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Epidural+electrotherapy+for+epilepsy%5BTitle%5D)+AND+%22Small%22%5BJournal%5D)">Epidural electrotherapy for epilepsy.</a> Small. 14 (30), 1801732(2018).</li>
<li>Lim, J., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Hybrid+graphene+electrode+for+the+diagnosis+and+treatment+of+epilepsy+in+free-moving+animal+models%5BTitle%5D)+AND+%22NPG+Asia+Materials%22%5BJournal%5D)">Hybrid graphene electrode for the diagnosis and treatment of epilepsy in free-moving animal models.</a> NPG Asia Materials. 15 (1), 7(2023).</li>
<li>Hermanns, H., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Molecular+mechanisms+of+action+of+systemic+lidocaine+in+acute+and+chronic+pain%3A+a+narrative+review%5BTitle%5D)+AND+%22British+Journal+of+Anaesthesia%22%5BJournal%5D)">Molecular mechanisms of action of systemic lidocaine in acute and chronic pain: a narrative review.</a> British Journal of Anaesthesia. 123 (3), 335-349 (2019).</li>
<li>Tchoe, Y., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Human+brain+mapping+with+multithousand-channel+PtNRGrids+resolves+spatiotemporal+dynamics%5BTitle%5D)+AND+%22Science+Translational+Medicine%22%5BJournal%5D)">Human brain mapping with multithousand-channel PtNRGrids resolves spatiotemporal dynamics.</a> Science Translational Medicine. 14 (628), (2022).</li>
<li>Wilent, W. B., Contreras, D. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Dynamics+of+excitation+and+inhibition+underlying+stimulus+selectivity+in+rat+somatosensory+cortex%5BTitle%5D)+AND+%22Nature+Neuroscience%22%5BJournal%5D)">Dynamics of excitation and inhibition underlying stimulus selectivity in rat somatosensory cortex.</a> Nature Neuroscience. 8 (10), 1364-1370 (2005).</li>
<li>Insanally, M. N., Köver, H., Kim, H., Bao, S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Feature-dependent+sensitive+periods+in+the+development+of+complex+sound+representation%5BTitle%5D)+AND+%22Journal+of+Neuroscience%22%5BJournal%5D)">Feature-dependent sensitive periods in the development of complex sound representation.</a> Journal of Neuroscience. 29 (17), 5456-5462 (2009).</li>
</ol>

開示するものは何もありません。

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。</p...

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)などの最近の技術は、侵襲性が低く再現性が低いため、人気が高まっています。ただし、法外なコストと解像度の低さを考えると、限られた数のケースで使用されます9,10,11。近年、信号信頼性に優れたフレキシブル表面電極が注目されています。グラフェンベースの表面電極は、長期的な生体適合性および機械的柔軟性を示し、回旋脳において安定した記録を提供する12、13、14、15、16。私たちのグループは最近、皮質表面での高解像度記録と部位特異的神経刺激のためのグラフェンベースのマルチチャンネルアレイを開発しました。この技術により、感覚情報の皮質表現を長期間追跡することができます。
この記事では、30チャンネルのグラフェン多電極アレイを使用して体性感覚皮質の脳マップを取得する手順について説明します。脳の活動を測定するために、グラフェン電極アレイを皮質の硬膜下領域に配置し、前足、前肢、後足、後肢、体幹、およびひげを木の棒で刺激します。体性感覚誘発電位(SEP)は、体性感覚領域について記録されます。このプロトコルは、聴覚、視覚、運動野などの他の脳領域にも適用できます。

<table><tbody><tr><td>麻酔薬を注射</td>する<td>1mL注射器</td><td>KOREAVACCINE CORPORATION</td><td></td>&nbsp;</tr><tr>麻酔薬を注射する<td>3mLシリンジ</td><td>KOREAVACCINE CORPORATION</td><td></td><td>&nbsp;</td></tr><tr><td>骨ロンジャー</td><td>ファインサイエンスツール</td><td>16220-14</td>頭蓋骨コネクタ<td>Gbrain</td></tr><tr><td></td><td></td><td></td>を取り外すヘッドステージドリル<td>FALCONツール</td></tr><tr><td></td><td></td><td></td><td></td></tr>にグラフェン電極を接続し、頭蓋骨<tr><td>ドリルビット</td>を研削する<td>Osstem</td><td></td><td></td></tr>インプラント頭蓋骨<tr><td>を研削グレーフ虹彩鉗子わずかに湾曲した鋸歯状の</td><td>vubuudu-02-73010</td><td></td><td>組織を削除します頭蓋骨からまたはホールドワイパー</td></tr><tr><td>グラフェン多電極アレイ</td><td>Gbrain</td><td></td>は、ニューロン<td></td></tr><tr><td>イソフルラン</td><td>Hana Pharm Corporation</td><td></td><td></td></tr>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<tr><td>ケタミン</td><td>ユハン株式会社</td><td></td><td></td></tr>を冒涜します<tr><td>リドカイン(2%)</td><td>ダイハン医薬品&nbsp;</td><td></td><td>局所麻酔薬</td></tr><tr><td>Matlab R2021b</td><td>Mathworks</td><td></td><td>データ分析 ソフトウェア</td></tr><tr><td>蚊止血剤</td><td>ファインサイエンスツール</td><td>91309-12</td><td>頭皮軟膏を固定</td></tr>する <tr><td></td><td>アルコン</td><td></td><td>目が乾くのを防ぎます&nbsp;</td></tr><tr><td>povidone</td><td>グリーンファーマシューティカルコーポレーション</td><td></td><td>は、切開部を消毒します</td></tr><tr><td>RHS 32ch Stim/Record headstage</td><td>intan technologies</td><td>M4032</td><td>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</td></tr><tr><td>RHS 6-ft (1.8m) Stim SPI インターフェースケーブル</td><td>intan technologies</td><td>M3206</td><td>グラフェン電極をヘッドステージ</td></tr><tr><td>RHS Stim/Recording Controller ソフトウェアに接続します</td><td>intan technologies</td><td></td><td>データ収集ソフトウェア</td></tr><tr><td>RHS 刺激/記録コントローラー</td><td>intan technologies</td><td>M4200</td><td></td></tr><tr><td>生理食塩水</td><td>JW 医薬品</td><td></td><td></td></tr><tr><td>メス</td><td>ハンマッハ</td><td>HSB 805-03</td><td></td></tr><tr><td>定位固定装置</td><td></td><td></td>は、<td>被験者を固定</td></tr>します <tr><td>滅菌 皮下注射針</td><td>KOREAVACCINE CORPORATION</td><td></td><td>は、硬膜</td></tr>スティー<tr><td>ブンアイリス組織鉗子</td><td>KASCO</td><td>50-2026</td>硬<td>膜外科</td></tr><tr><td>用ブレードno.11</td><td>FEATHER</td><td></td><td>は頭皮の</td></tr><tr><td>外科用sicssors</td><td>ファインサイエンスツール</td><td>14090-09</td><td>頭皮をinscisし、硬膜</td></tr><tr><td>木製スティック</td><td></td><td></td><td>ウィスカー刺激</td></tr>を除去します<tr>キシ<td>ラジン</td><td>バイエル韓国</td><td></td><td>麻酔に使用</td></tr></tbody></table>

グラフェン電極アレイを用いた脳マッピング

Brain Mapping Using a Graphene Electrode Array

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。

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...

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。

Cortical maps represent the spatial organization of location-dependent neural responses to sensorimotor stimuli in the cerebral cortex, enabling the ...

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。

brain-mapping-using-a-graphene-electrode-array

Research

JoVE Journal

Neuroscience

神経科学

我々は侵襲的なてんかんの監視を受けているヒトから研究目的electrocorticographic信号を収集するための手法を提案する。我々は、データ収集、信号処理と刺激プレゼンテーションのためBCI2000ソフトウェアプラットフォームを使用する方法を示します。具体的には、SIGFRIED、リアルタイム脳機能マッピングのためのBCI2000ベースのツールを示しています。...

神経科学の研究とリアルタイム機能皮質マッピングのためのヒトElectrocorticographic（ECOG）信号を記録

このプロトコルは、発作誘発薬にさらされた脳スライスの電気的活動を記録するために微小電極アレイ(MEA)を使用することを含みます。この手順には、脳スライスをMEA記録チャンバーに配置すること、電気刺激を加えて人工発作を誘発すること、および結果として生じる信号を分析することが含まれます。...

微小電極アレイを用いた脳切片における発作誘発性神経電気活動のモニタリング

このビデオでは、前帯状皮質(ACC)と視床領域を含む脳切片に対する経頭蓋直流刺激(tDCS)の影響を調査し、電気信号を測定するための多電極アレイ(MEA)を使用しています。この研究では、電気パルスを送達し、発作誘発薬を注入することにより、発作に対するACCの反応を調査しています。...

発作誘発剤に応答した多電極アレイによる脳皮質のモニタリング

ハイスループット電位を有するマイクロデバイスは、新規の材料と三次元（3D）誘電泳動（DEP）を示すために使用される。グラフェンナノ小板紙や両面テープを交互に積層した。 700ミクロンのマイクロウェルは、層に対して横方向に掘削された。ポリスチレンビーズのDEP挙動は、マイクロウェルにおいて実証された。...

3Dグラフェン電極誘電泳動デバイスの開発

微小電極アレイを用いたげっ歯類脳スライス 4 アミノピリジン誘発てんかん活動の記録と電気変調を実行する方法を示します。カスタム記録室は、長期の実験的セッションを通して組織実行可能性を維持します。電極マッピングをライブ、刺激的なペアの選択は、カスタム グラフィカル ユーザー...

記録と電極アレイに結合された齧歯動物の脳スライスにおけるてんかん活動の変調

コモンマーモ継続的に、一時的な後頭極、前頭極からの皮質のほぼ全体の外側面をカバーするため全体皮質シェットランドシープドッグ...

一般的なセットの全皮質のシェットランドシープドッグ配列の慢性注入

インビボニューラル記録のためのTi3C2 MXene微小電極アレイの作製

本プロトコルは、電解質依存性グラフェン電界効果トランジスタ(EGGFET)バイオセンサの開発と、バイオマーカー免疫グロブリンG(IgG)検出への応用を実証するものである。...

バイオマーカー検出のための電解質依存性グラフェン電界効果トランジスタの開発と機能化

頭蓋外刺激の用量反応曲線を脳電界測定と関連するバイオマーカー-脳血流の観点から評価するためのプロトコルについて説明します。このプロトコルは脳への侵襲的な電極の配置を含むので、全身麻酔が、制御された呼吸よりもむしろ自発呼吸が好まれる必要である。...

麻酔マウスにおける頭蓋外刺激電極の配置と脳血流および頭蓋内電界の測定

ミリサイズのコイルと組み合わせた低コスト脳波記録システムにより、マウス脳をin vivoで経頭的に刺激する

ヒト多能性幹細胞由来脳アッセンブロイドを用いたてんかんモデリングのための多電極アレイプラットフォーム

学ぶグラフェン電極アレイを用いた脳マッピング法。SDラットの感覚誘発電位を高解像度で記録し、体性感覚皮質の空間的組織を明らかにする。侵襲性を最小限に抑えた革新的な神経科学手法である。

グラフェン電極アレイを用いた脳マッピング

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