그래핀 전극 어레이를 이용한 뇌 매핑

피질 지도는 대뇌 피질의 감각 운동 자극에 대한 반응 특성을 나타내는 국소 패치 집합입니다. 지각과 인지에 대한 예측을 제공할 수 있는 신경망의 공간적 형성을 발견할 수 있습니다. 따라서 피질 지도는 외부 자극으로부터의 신경 반응과 감각 운동 정보 처리를 연구하는 데 사용됩니다. 피질 지도를 만드는 것은 침습적이고 비침습적인 방법입니다.

피질 내 전극을 사용하는 것은 대뇌 피질을 매핑하는 데 사용되는 가장 일반적인 침습적 방법 중 하나입니다. 고해상도를 위해 뇌를 손상시킬 수 있기 때문에 추가 측정이 이루어지지 않습니다. EEG, PET, MEG, fMRI와 같은 대체 뇌 매핑 도구는 전체 뇌 매핑 및 반복 샘플링을 허용하는 비침습적 방법입니다.

그러나 몇 가지 단점은 낮은 공간적 시간 분해능, 시간적 지연, 지정되지 않은 변조 입력으로 인한 오류 및 엄청난 비용입니다. 칼슘 이미징 및 광유전학적 fMRI와 같은 광학 기술은 대규모 뇌 매핑을 제공하지만 지표 독성과 낮은 공간적 시간 해상도로 인해 임상적으로 유익하지 않습니다. 그래핀 전극 어레이는 장기적인 생체 적합성과 기계적 유연성을 나타내어 복잡한 뇌의 안정적인 기록을 제공합니다.

최근에, 우리 그룹은 피질 표면의 신경 신호에 대한 고해상도 기록을 제공하는 그래 핀 전극 어레이를 개발했습니다. 이 프로토콜은 그래핀 전극 어레이를 사용하여 SD 쥐의 앞발, 앞다리, 뒷발, 뒷다리, 몸통 및 수염의 SEP를 기록하여 피질 지도를 만듭니다. 케타민의 경우 킬로그램당 90mg, 자일라진의 경우 킬로그램당 10mg의 용량을 사용하여 케타민과 자일라진 칵테일을 복강내 주사합니다.

수술 내내 원하는 마취 깊이를 유지하려면 킬로그램당 45mg의 케타민을 주사하고 쥐가 각성의 징후를 보이면 킬로그램당 5mg의 자일라진 칵테일을 주사합니다. 발가락을 꼬집어 마취의 깊이를 확인합니다. 쥐가 떨리면 반응이 없을 때까지 몇 분 더 기다리십시오.

트리머를 사용하여 눈 사이의 공간에서 귀 뒤쪽까지 쥐의 머리에 털을 면도하십시오. 그런 다음 눈에 안과 용 연고를 바르십시오. 귀 막대와 입체 어댑터를 사용하여 쥐의 머리를 입체 장치에 고정시킵니다.

쥐의 머리가 제대로 고정되어 있는지 확인하십시오. 포비돈에 적신 화장솜으로 면도한 부위를 소독하십시오. 면도 부위를 알코올로 문지릅니다.

멸균 과정을 세 번 반복하십시오. 그런 다음 0.1밀리리터의 2%리도카인을 두피에 주사하여 국소 마취를 유도합니다. 2-3 센티미터의 정중선 절개를 만들고 두피를 옆으로 당겨 두개골을 노출시킵니다.

두피를 고정하여 모기 집게로 두개골을 노출시킵니다. 집게로 두개골 표면을 긁어 골막을 제거하는 것으로 시작하십시오. 람다를 향해 일직선으로 뒤쪽 가장자리의 후두골 뒤 근육을 찢어 흉골 마그나를 찾습니다.

현미경을 사용하여 수조 마그나를 자세히 볼 수 있습니다. 수조를 부드럽게 절개하십시오. 수조를 찢은 후 뇌척수액이 흘러 나옵니다.

코일 멸균 거즈로 뇌척수액을 배출하여 뇌를 가라앉힙니다. 그래핀 전극이 배치될 위치를 표시하고, 브레그마의 위치에 따라 미리 정의된 입체 좌표를 기반으로 합니다. 체성 감각 피질은 우반구 두개골의 브레그마에서 전방 후방 축으로 3 밀리미터, 오른쪽 측면 방향으로 6 밀리미터에 위치합니다.

입체 좌표에 따라 표시된 영역을 드릴합니다. 뼈 rongeur로 두개골을 제거하십시오. 면봉을 26 번쩍이는 바늘에 꽂습니다.

바늘을 90도 구부립니다. 경막을 제거하려면 구부러진 바늘을 사용하여 구멍을 만드십시오. 경막을 위로 들어 올리고 그 구멍에 집게를 삽입하고 가위로 경막을 자르거나 집게로 찢습니다.

피질이 마르지 않도록 체성 감각 피질에 식염수로 적신 멸균 거즈를 부착하십시오. 식염수를 도포하여 손상을 입히지 않고 그래핀 다중전극 어레이를 분리합니다. 커넥터에서 기준 및 접지선의 외부 덮개를 제거합니다.

매핑을 위해 그래핀 다중 전극 어레이를 설정하려면 헤드 스테이지를 커넥터와 연결하십시오. 그래핀 전극 어레이를 커넥터와 연결합니다. 인터페이스 케이블을 녹음 컨트롤러에 꽂습니다.

그래핀 다중 전극 어레이와 커넥터 복합체를 인터페이스 케이블에 연결합니다. 그런 다음 그래핀 다중전극 어레이 복합체를 정위 암에 고정합니다. 그래핀 전극 어레이를 미리 정의된 입체 좌표에 기초하여 체감각 피질에 배치한다.

후두골 뒤의 조직에 기준선을 놓습니다. 그런 다음 접지선을 접지된 광학 테이블에 연결합니다. 녹음 소프트웨어를 열고 샘플링 속도를 30킬로헤르츠로 설정하고 확인 버튼을 클릭합니다.

60Hz 노치 필터를 설정하여 전원에서 노이즈를 제거합니다. 가는 막대기로 수염을 구부립니다. 원하는 시간 동안 데이터 수집 시스템을 통해 신경 신호를 기록합니다.

이 신호는 수염에 대한 자극을 통해 얻은 신경 신호입니다. 다른 신체 부위도 SEP를 기록하는 것과 같은 방식으로 자극합니다. MATLAB 코드명 read_Intan_RHS2000 파일을 엽니다.

실행 버튼을 클릭합니다. 녹음 파일을 선택하고 해당 파일을 클릭한 다음 파일을 읽을 때까지 기다립니다. 명령 plot을 입력하여 2D 선 플롯을 생성합니다.

자극에 반응한 대표적인 피크 신호를 선택하고 최대값과 최소값을 측정하여 SEP의 진폭을 계산합니다. SEP의 진폭에 따라 다른 색상 음영으로 등급을 채색하여 지형도를 얻습니다. 그래핀 전극 어레이는 왼쪽에 있습니다.

모든 전극 사이에는 기판의 관통 구멍이 있습니다. 이 구멍은 전극이 피질과 강한 접촉을 유지하는 데 도움이 됩니다. 오른쪽 이미지는 피질의 전극 배열을 보여줍니다.

왼쪽에는 쥐의 신체의 다른 부분에 대한 자극으로 인한 각 위치 의존적 신경 반응의 비율이 쥐 모양으로 표시됩니다. 각 신체 부위는 다른 색상으로 표시됩니다. 이것은 체성 감각 피질 지도를 구성합니다.

오른쪽에서 다음 그림은 피질 표면에 배치 된 다중 채널 그래 핀 전극을 통해 얻은 자극 특이 반응을 보여줍니다. 각 색상 상자는 30개 채널에서 서로 다른 신체 부위의 반응을 나타냅니다. 위의 그림은 그래핀 전극 어레이를 사용하여 체성감각 피질의 표면에서 검출된 LFP를 나타냅니다.

색상 막대는 진폭이 클수록 더 어두운 음영으로 표시되고 각 색상은 다른 신체 부위를 나타냅니다. Figure는 색상 막대의 음영에 따라 진폭을 조정합니다. 설치류의이 호문클루스는 방금 설명한 결과를 사용하여 만들어졌습니다.

특정 신체 부위의 진폭이 클수록 호몬큘러스에 더 많이 표시됩니다. 아래 그림은 각 신체 부위에서 수집된 LFP의 개별 데이터를 나타냅니다. 색상 막대를 기반으로 감지된 LFP의 다양한 진폭을 나타냅니다.

이 절차에는 몇 가지 예방 조치가 있습니다. 뇌척수액을 제거 할 때 실험자는 뇌간이나 척수를 만지지 않도록주의해야합니다. 이 단계는 연습이 필요합니다.

설치류 수염은 자극된 수염의 편향 방향, 자극 강도 및 위치를 감지할 수 있을 만큼 충분히 발달되어 있습니다. 그렇기 때문에 이 프로토콜에 대해 수염을 일정한 방향과 강도로 자극해야 합니다. 다른 신체 부위도 지속적으로 자극을 받아야 합니다.

이 프로토콜의 한계는 심부 뇌 구조에서 유발된 신호가 피질 표면에 장착된 그래핀 전극 어레이로 기록될 수 없다는 것입니다. 따라서 실험자는 신경 반응과 관련하여 원주 네트워크가 계층 적으로 어떻게 구성되어 있는지 식별 할 수 없습니다. 그럼에도 불구하고, 이 프로토콜은 실험자가 전극 어레이가 배치되는 여러 영역을 변경하는 경우 추가로 적용될 수 있습니다.

예를 들어, 실험자가 청각 또는 시각 피질에 전극을 배치하여 청각 및 시각 정보를 추출하면 청각 또는 시각 지도를 획득할 수 있습니다. 또한, 이 프로토콜은 그래핀 다중전극 어레이의 만성 이식으로 확장될 수 있다.