Brain Mapping met behulp van een grafeenelektrode-array

De corticale kaart is een reeks lokale patches die responseigenschappen vertegenwoordigen op sensorische motorische stimuli in de hersenschors. Het kan de ruimtelijke vorming van neurale netwerken ontdekken die een voorspelling kunnen bieden voor perceptie en cognitie. Daarom worden corticale kaarten gebruikt om neurale reacties van externe stimuli en de verwerking van sensorische motorische informatie te bestuderen Om corticale kaarten te maken, zijn invasieve en niet-invasieve methoden.

Het gebruik van intracorticale elektroden is een van de meest voorkomende invasieve methoden die worden gebruikt voor het in kaart brengen van de hersenschors. Omdat het de hersenen kan beschadigen voor een hoge resolutie, voorkomt het dat verdere metingen worden gedaan. Alternatieve hulpmiddelen voor het in kaart brengen van de hersenen, zoals EEG, PET, MEG, fMRI, zijn niet-invasieve methoden die het mogelijk maken om de hele hersenen in kaart te brengen en herhaalde bemonstering te nemen.

Verschillende nadelen zijn echter een lage ruimtelijke temporele resolutie, temporele vertraging, fouten als gevolg van niet-gespecificeerde modulatorische ingangen en onbetaalbare kosten. Optische technieken zoals calciumbeeldvorming en optogenetische fMRI bieden grootschalige hersenkartering, maar zijn niet klinisch gunstig vanwege indicatortoxiciteit en lage ruimtelijke temporele resolutie. De grafeenelektrode-array vertoont langdurige biocompatibiliteit en mechanische flexibiliteit die stabiele opnames van de ingewikkelde hersenen biedt.

Onlangs heeft onze groep een grafeenelektrode-array ontwikkeld die opnames met hoge resolutie biedt voor neurale signalen op het corticale oppervlak. Dit protocol maakt gebruik van een grafeenelektrode-array om de SEP's van de voorpoot, voorpoot, achterpoot, achterpoot, romp en snorharen van een SD-rat op te nemen om een corticale kaart te maken. Dien een intraperitoneale injectie van ketamine en xylazinecocktail toe met een dosering van 90 milligram per kilogram voor ketamine en 10 milligram per kilogram voor xylazine.

Om een gewenste diepte van anesthesie tijdens de operatie te behouden, injecteert u een 45 milligram per kilogram ketamine en vijf milligram per kilogram xylazinecocktail als de rat tekenen van ontwaken vertoont. Knijp in de teen om de diepte van de anesthesie te bevestigen. Als de rat beeft, wacht dan extra minuten totdat hij geen reactie vertoont.

Scheer de vacht op het hoofd van de rat van de ruimte tussen de ogen naar de achterkant van de oren met behulp van een trimmer. Breng vervolgens een oogzalf aan op de ogen. Bevestig met behulp van oorbalken en stereotaxische adapters de kop van de rat op het stereotaxische apparaat.

Zorg ervoor dat de kop van de rat goed is bevestigd. Steriliseer een geschoren gebied met met povidon gedrenkte katoenen swap. Schrob het geschoren gebied met alcohol.

Herhaal het sterilisatieproces drie keer. Injecteer vervolgens 0,1 milliliter 2% lidocaïne in de hoofdhuid om lokale anesthesie te induceren. Maakt een incisie van twee tot drie centimeter in de middellijn en trekt de hoofdhuid zijdelings uit elkaar om de schedel bloot te leggen.

Klem de hoofdhuid vast om de schedel bloot te leggen met een muggentang. Begin met het verwijderen van het botysteum door het oppervlak van de schedel met een tang te krabben. Lokaliseer in een rechte lijn naar de lambda het borstbeen magna door de spier achter het achterhoofdsbeen aan de achterrand te scheuren.

Gebruik een microscoop om de cisterna magna van dichtbij te bekijken. Snijd de cisterna magna voorzichtig in. Na het scheuren van de cisterna magna stromen cerebrale spinale vloeistoffen naar buiten.

Giet het hersenvocht af met het opgerolde steriele gaas om door de hersenen te zinken. Markeer waar de grafeenelektrode wordt geplaatst op basis van de vooraf gedefinieerde stereotaxische coördinaten volgens de positie van de bregma. De somatosensorische cortex bevindt zich drie millimeter in de voorste achterste as en zes millimeter in de rechter laterale richting van de bregma van de schedel van de rechterhersenhelft.

Boor het gebied dat is gemarkeerd volgens de stereotaxische coördinaat. Verwijder de schedel met het bot rongeur. Steek een wattenstaafje in een 26 opzichtige naald.

Buig de naald tot 90 graden. Om de dura mater te verwijderen, maak je een gat met een gebogen naald. Til de dura mater omhoog, steek een tang in dat gat en ga verder met het knippen van de dura mater met een schaar of scheur hem met een tang.

Bevestig het steriele gaas nat met zoutoplossing op de somatosensorische cortex om te voorkomen dat de cortex uitdroogt. Maak de grafeen multi-elektrode array los zonder schade aan te richten door een zoutoplossing aan te brengen. Verwijder de buitenste bekleding van de referentie- en massadraden van de connector.

Om de grafeen multi-elektrode-array in te stellen voor mapping, verbindt u het hoofdstadium met de connector. Verbind de grafeenelektrode-array met de connector. Sluit de interfacekabel aan op de opnamecontroller.

Sluit de grafeen multi-elektrode array en connector complex aan op een interfacekabel. Bevestig vervolgens het grafeen multi-elektrode arraycomplex op de stereotaxische arm. Plaats de grafeenelektrode-array op de somatosensorische cortex op basis van de vooraf gedefinieerde stereotaxische coördinaten.

Plaats de referentiedraad in het weefsel achter het achterhoofdsbeen. Sluit vervolgens de aardingsdraad aan op de geaarde optische tafel. Open de opnamesoftware en stel de bemonsteringsfrequentie in op 30 kilohertz en klik op de knop OK.

Stel het 60 hertz notch-filter in om het geluid van de stroom te verwijderen. Buig de snorharen met een fijne stok. Registreer neurale signalen via het data-acquisitiesysteem voor de gewenste tijd.

Deze signalen zijn neurale signalen die worden verkregen door stimuli voor snorharen. Andere lichaamsdelen stimuleren ook op dezelfde manier om SEP's op te nemen. Open de MATLAB-code met de naam read_Intan_RHS2000 bestand.

Klik op de knop Uitvoeren. Kies het opnamebestand en klik op dat bestand en wacht vervolgens tot het bestand is gelezen. Voer de opdrachtplot in om een 2D-regelplot te maken.

Selecteer de representatieve pieksignalen die reageerden op de stimulus en bereken de amplitudes van de SEP's door de maximale en minimale waarden te meten. Verkrijg de topografische kaart door de graad in te kleuren met de verschillende kleurschakeringen volgens de amplitude van de SEP. De grafeenelektrode-array bevindt zich aan de linkerkant.

Er zitten doorgaande gaten van het substraat tussen alle elektroden. Deze gaten helpen de elektroden om sterk contact te houden met de cortex. Aan de rechterkant toont de afbeelding de elektrode-array op de cortex.

Aan de linkerkant wordt de verhouding van elke locatieafhankelijke neurale respons veroorzaakt door stimulaties tot verschillende delen van het lichaam van de rat weergegeven in de vorm van een rat. Elk lichaamsdeel wordt weergegeven met een andere kleur. Dit configureert een somatosensorische cortexkaart.

Aan de rechterkant toont de volgende afbeelding een stimuli specifieke reacties verkregen door de meerkanaals grafeenelektroden die op het oppervlak van de cortex werden geplaatst. Elk gekleurd vak vertegenwoordigt de reacties die verschillende lichaamsdelen hadden op de 30 kanalen. De bovenstaande figuur geeft de LFP's weer die op het oppervlak van de somatosensorische cortex zijn gedetecteerd met behulp van grafeenelektrode-arrays.

De kleurenbalk laat zien dat een grotere amplitude wordt weergegeven door een donkerdere kleurschakering en dat elke kleur een ander lichaamsdeel vertegenwoordigt. De figuur buigt de amplitude op basis van de tinten in de kleurenbalk. Deze homunculus van het knaagdier is gemaakt met behulp van de resultaten die zojuist zijn uitgelegd.

Hoe groter de amplitude die een bepaald lichaamsdeel had, hoe groter het zou worden geïllustreerd op de homonculus. De onderstaande figuur geeft een afzonderlijke gegevens weer van LFP's die van elk lichaamsdeel zijn verzameld. Het vertegenwoordigt de variërende amplitudes van LFP's die zijn gedetecteerd op basis van de kleurenbalk.

Er zijn verschillende voorzorgsmaatregelen voor deze procedure. Bij het verwijderen van het hersenvocht moet de experimentator voorzichtig zijn om de hersenstam of een ruggenmerg niet aan te raken. Deze stap vergt oefening.

De snorharen van knaagdieren is voldoende ontwikkeld om een afbuigingsrichting, stimulusintensiteit en locatie van de snorharen die werd gestimuleerd te voelen. Daarom moeten de snorharen voor dit protocol in een constante richting en intensiteit worden gestimuleerd. Ook andere lichaamsdelen moeten consequent gestimuleerd worden.

De beperking van dit protocol is dat signalen die worden opgeroepen in diepe hersenstructuren niet kunnen worden geregistreerd als een grafeenelektrode-array op het corticale oppervlak is gemonteerd. De experimentator kan dus niet identificeren hoe het kolomvormige netwerk hiërarchisch is georganiseerd met betrekking tot de neurale reacties. Niettemin kan dit protocol verder worden toegepast als de experimentator de meerdere gebieden wijzigt waar de elektrode-arrays zijn geplaatst.

Als de experimentator bijvoorbeeld de elektrode op de auditieve of visuele cortex plaatst om auditieve en visuele informatie te extraheren, kunnen ze de auditieve of visuele kaarten verkrijgen. Ook kan dit protocol worden uitgebreid naar de chronische implantatie van de grafeen multi-elektrode array.