Method Article

Mapowanie mózgu za pomocą matrycy elektrod grafenowych

DOI:

10.3791/64910

⸱

October 20th, 2023

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

* These authors contributed equally

In This Article

Summary

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

Prezentujemy procedurę mapowania mózgu opartą na tablicy grafenowej, aby zmniejszyć inwazyjność i poprawić rozdzielczość czasoprzestrzenną. Elektrody powierzchniowe oparte na matrycy grafenowej wykazują długoterminową biokompatybilność, elastyczność mechaniczną i przydatność do mapowania mózgu w splątanym mózgu. Protokół ten pozwala na konstruowanie wielu form map sensorycznych jednocześnie i sekwencyjnie.

Abstract

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

Mapy korowe reprezentują przestrzenną organizację zależnych od lokalizacji reakcji neuronalnych na bodźce sensomotoryczne w korze mózgowej, umożliwiając przewidywanie fizjologicznie istotnych zachowań. Do uzyskania map korowych zastosowano różne metody, takie jak elektrody penetrujące, elektroencefalografia, pozytonowa tomografia emisyjna, magnetoencefalografia i funkcjonalne obrazowanie metodą rezonansu magnetycznego. Jednak metody te są ograniczone przez słabą rozdzielczość czasowo-przestrzenną, niski stosunek sygnału do szumu (SNR), wysokie koszty i brak biokompatybilności lub powodują fizyczne uszkodzenie mózgu. W badaniu tym zaproponowano metodę mapowania somatosensorycznego opartą na matrycy grafenowej jako cechę elektrokortykografii, która oferuje doskonałą biokompatybilność, wysoką rozdzielczość czasowo-przestrzenną, pożądany SNR i zminimalizowane uszkodzenia tkanek, pokonując wady poprzednich metod. Badanie to wykazało wykonalność matrycy elektrod grafenowych do mapowania somatosensorycznego u szczurów. Przedstawiony protokół może być stosowany nie tylko do kory somatosensorycznej, ale także do innych kory, takich jak kora słuchowa, wzrokowa i ruchowa, zapewniając zaawansowaną technologię do wdrożenia klinicznego.

Introduction

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

Mapa korowa to zestaw lokalnych łatek reprezentujących właściwości odpowiedzi na bodźce sensomotoryczne w korze mózgowej. Są przestrzenną formacją sieci neuronowych i umożliwiają przewidywanie percepcji i poznania. Dlatego mapy korowe są przydatne w ocenie reakcji neuronalnych na bodźce zewnętrzne i przetwarzaniu informacji sensomotorycznych1,2,3,4. Do mapowania kory mózgowej dostępne są metody inwazyjne i nieinwazyjne. Jedna z najczęstszych metod inwazyjnych polega na użyciu elektrod wewnątrzkorowych (lub penetrujących) do mapowania5,6,7,8.

Ocena map korowych o wysokiej rozdzielczości na żądanie za pomocą elektrod penetrujących napotkała kilka przeszkód. Metoda jest zbyt pracochłonna, aby uzyskać porządną mapę i zbyt inwazyjna, aby wdrożyć ją do użytku klinicznego, co uniemożliwia dalszy rozwój. Nowsze technologie, takie jak elektroencefalografia (EEG), pozytonowa tomografia emisyjna (PET), magnetoencefalografia (MEG) i funkcjonalne obrazowanie metodą rezonansu magnetycznego (fMRI) zyskały na popularności, ponieważ są mniej inwazyjne i powtarzalne. Jednak ze względu na ich zaporowe koszty i słabą rozdzielczość, są one używane w ograniczonej liczbie przypadków9,10,11. Ostatnio dużym zainteresowaniem cieszą się elastyczne elektrody powierzchniowe o doskonałej niezawodności sygnału. Elektrody powierzchniowe na bazie grafenu wykazują długoterminową biokompatybilność i elastyczność mechaniczną, zapewniając stabilne zapisy w zawiłym mózgu12,13,14,15,16. Nasza grupa opracowała niedawno wielokanałową matrycę na bazie grafenu do nagrywania w wysokiej rozdzielczości i neurostymulacji specyficznej dla miejsca na powierzchni kory mózgowej. Technologia ta pozwala nam śledzić korowe reprezentacje informacji sensorycznych przez dłuższy czas.

Ten artykuł opisuje kroki związane z uzyskaniem mapy mózgu kory somatosensorycznej za pomocą 30-kanałowego grafenu wieloelektrodowego. Aby zmierzyć aktywność mózgu, matrycę elektrod grafenowych umieszcza się w podtwardówkowym obszarze kory, podczas gdy przednią łapę, kończynę przednią, tylną łapę, kończynę tylną, tułów i wąsy stymuluje się drewnianym patyczkiem. Potencjały somatosensoryczne (SEP) są rejestrowane dla obszarów somatosensorycznych. Protokół ten można również zastosować do innych obszarów mózgu, takich jak kora słuchowa, wzrokowa i ruchowa.

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Protocol

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

Wszystkie procedury postępowania ze zwierzętami zostały zatwierdzone przez Instytucjonalny Komitet ds. Opieki i Użytkowania Zwierząt Narodowego Uniwersytetu Incheon (INU-ANIM-2017-08).

1. Przygotowanie zwierząt do operacji

UWAGA: W tym eksperymencie użyj Szczura Sprague Dawley (8-10 tygodni) bez uprzedzeń związanych z płcią.

  1. Znieczulić szczura 90 mg/kg ketaminy i 10 mg/kg koktajlu ksylazyny dootrzewnowo. Aby utrzymać pożądaną głębokość znieczulenia przez cały czas trwania operacji, należy podać dodatkowy koktajl ketaminy 45 mg/kg i 5 mg/kg ksylazyny, gdy szczur wykazuje oznaki przebudzenia.
  2. Upewnij się, że szczur jest pod głęboką narkozą i regularnie sprawdzaj odbicia ciała, takie jak szczypanie palców u stóp, szczypanie ogona i odruch rogówki.
  3. Ogol sierść między oczami i tylną częścią uszu za pomocą trymera.
  4. Nałóż maść okulistyczną na oczy, aby zapobiec ich wysuszeniu.

2. Chirurgia odsłonięcia powierzchni kory mózgowej

  1. Przymocuj głowę szczura do aparatu stereotaktycznego za pomocą adaptera stereotaktycznego. Aby utrzymać temperaturę ciała 37 °C podczas operacji, umieść szczura na poduszce grzewczej o kontrolowanej temperaturze.
  2. Wysterylizuj ogolony obszar naprzemiennie peelingami z alkoholem i jodowidonem trzy razy.
  3. Użyj kleszczy, aby mocno chwycić skórę głowy i wstrzyknij 0,1 ml lidokainy (2%) za pomocą strzykawki bezpośrednio w skórę głowy, aby wywołać znieczulenie miejscowe w obszarze operacyjnym.
  4. Wykonaj skalpelem nacięcie w linii środkowej o długości 2-3 cm i rozsuń skórę głowy, aby odsłonić czaszkę.
  5. Zaciśnij skórę głowy kleszczami do komarów, aby odsłonić czaszkę.
  6. Podrap powierzchnię czaszki kleszczami, aby usunąć okostną.
  7. Tępo wypreparuj mięśnie nad czaszką potyliczną, aby odsłonić cisterna magna powyżej osi na szczycie rdzenia kręgowego.
  8. Naciąć cisterna magna ostrzem, aby odsączyć płyn mózgowo-rdzeniowy i umieścić sterylną gazę w nacięciu cisterna magna, aby stale wchłaniać płyn mózgowo-rdzeniowy, aby zapobiec obrzękowi mózgu i zminimalizować stan zapalny.
  9. Za pomocą ołówka zaznacz na czaszce prostokątne okienko o wymiarach 3 mm w osi przednio-tylnej i 6 mm w prawym kierunku bocznym od bregmy prawej półkuli.
    UWAGA: Oznakowanie musi zachowywać odległość 1 mm od linii środkowej, aby uniknąć pęknięcia zatoki strzałkowej.
  10. Wywierć zaznaczony obszar zgodnie ze współrzędną stereotaktyczną i usuń czaszkę za pomocą kostnego rongeura.
  11. Aby usunąć oponę twardą, zegnij końcówkę igły 26 G pod kątem 90°, utwórz otwór w oponie twardej, podnieś oponę twardą, włóż kleszcze do tego otworu i rozerwij ją kleszczami.
  12. Umieść gazę nasączoną solą fizjologiczną na korze somatosensorycznej, aby zapobiec jej wysychaniu.

3. Przygotowanie zestawu elektrod grafenowych podłączonego do systemu rejestrującego

  1. Przygotuj matrycę elektrod grafenowych ze złączem omnetycznym.
    1. Odłącz matrycę wieloelektrodową grafenu bez powodowania uszkodzeń poprzez nałożenie roztworu soli fizjologicznej.
    2. Zdejmij zewnętrzną osłonę przewodu odniesienia i uziemiającego ze złącza.
  2. Podłącz stopień głowicy z układem elektrod grafenowych do złącza.
  3. Podłącz interfejsu podłączony do stopnia głównego do systemu nagrywania.
  4. Zamocuj kompleks matrycy elektrod grafenowych w ramieniu stereotaktycznym.
  5. Aby przechwycić sygnały neuronowe ze wszystkich kanałów, umieść matrycę na korze somatosensorycznej bez zginania, zgodnie z wcześniej ustalonymi współrzędnymi stereotaktycznymi.
  6. Umieść przewód odniesienia pod tkanką za kością potyliczną i podłącz przewód uziemiający do uziemionego stołu optycznego.

4. Stymulacja fizyczna i nagrywanie SEPów do mapowania

  1. Otwórz oprogramowanie do nagrywania sygnałów neuronowych.
  2. Ustaw środowisko oprogramowania do nagrywania: (1) ustaw częstotliwość próbkowania dla SEP i filtr wycinający (60 lub 50 Hz, częstotliwość domowej energii elektrycznej), aby usunąć szumy z linii energetycznej.
  3. Aby odwzorować wąsy, zegnij wąsy cienkim patyczkiem.
  4. Stale szturchaj przednią łapę, przednią kończynę, tylną łapę, tylną kończynę i tułów drewnianym patyczkiem do mapowania ciała.
  5. Rejestruj sygnały neuronowe w systemie akwizycji danych przez wskazany czas.

5. Eutanazja zwierząt

  1. Po wszystkich procedurach rejestracyjnych należy złożyć szczury w ofierze ze znieczuleniem przy użyciu >5% izofluranu i przeprowadzić sekcję szyjki macicy.

6. Pomiar SEP do mapowania kory mózgowej

  1. Otwórz program MATLAB o nazwie kodowej read_Intan_RHS2000_file.m do analizy sygnału.
    UWAGA: read_Intan_RHS2000_file.m można pobrać ze strony "https://intantech.com/downloads.html?tabSelect=Software".
  2. Kliknij przycisk Uruchom, wybierz plik nagrania z rozszerzeniem ".rhs" i poczekaj, aż plik zostanie przetworzony i odczytany.
  3. Wprowadź polecenie "wykres (t, amplifier_data("numer kanału",:))", aby utworzyć wykres liniowy 2D danych nagrania, znaleźć SEP i obliczyć amplitudę SEP we wszystkich kanałach.
    UWAGA: Wprowadź numer kanału w polu "numer kanału". Na przykład "plot(t, amplifier_data(1,:))" tworzy wykres liniowy 2D kanału 1. Ponadto, gdy eksperymentator oblicza amplitudę odpowiedzi, wybierz odpowiedź nagraną z każdego kanału.
  4. Uzyskaj dane, kolorując siatkę innym odcieniem w zależności od amplitudy SEPs.
    UWAGA: Polecenie "imagesc" w programie MATLAB pomaga w szybszym uzyskaniu mapy topograficznej.

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Results

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

Ten protokół opisuje, w jaki sposób grafenowy wielokanałowy układ jest montowany na powierzchni mózgu. Mapa somatosensoryczna została skonstruowana poprzez pozyskanie odpowiedzi neuronalnych na bodźce fizyczne i obliczenie amplitudy odpowiedzi. Rysunek 1 pokazuje schemat tego eksperymentu.

Rysunek 2A przedstawia cechy strukturalne układu elektrod grafenowych. Pomiędzy elektrodami znajdują się otwory przelotowe w podłożu. Otwory te pom...

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Discussion

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

Przedstawiony protokół zapewnia dogłębny proces krok po kroku, który wyjaśnia, w jaki sposób uzyskać dostęp i zmapować reakcje somatosensoryczne szczurów za pomocą układu elektrod grafenowych. Dane pozyskane przez protokół to SEP, które dostarczają informacji somatosensorycznych, które są synaptycznie połączone z każdą częścią ciała.

Należy wziąć pod uwagę kilka aspektów tego protokołu. Podczas ekstrakcji płynu mózgowo-rdzeniowego w celu zapobiegania obrzękowi mózgu i łagodzenia stanu zapalneg...

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Disclosures

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

Nie mamy nic do ujawnienia.

Acknowledgements

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

Ta praca była wspierana przez Incheon National University (Międzynarodowa Spółdzielnia) dla Sunggu Yanga.

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Materials

List of materials used in this article
NameCompanyCatalog NumberComments
Strzykawka 1 mlKOREAVACCINE CORPORATIONwstrzykiwanie leku do znieczulenia 
Strzykawka 3 mlKOREAVACCINE CORPORATIONiniekcja leku do znieczulenia 
Bone rongeurFine Science Tools16220-14usuń łącznik czaszki
GbrainPodłącz elektrodę grafenową do
wiertarkinarzędzieszlifuj wiertła do czaszki
Implantszlifuje czaszkę
Kleszcze do tęczówki Graefe lekko zakrzywione ząbkowanevubuvudu-02-73010usuń tkankę z czaszki lub uchwytu wycieraczki
grafenowy wieloelektrodowyukład Gbrainrejestruje sygnały z neuronu
izofluranHana Pharm Corporationpoświęca temat
ketaminayuhan corporationużywana do znieczulenia
lidokaina (2%)Daihan pharmaceutical znieczulenie miejscowe
Matlab R2021bMathworksOprogramowanie do analizy danych
hemostatyki komarówFine Science Tools91309-12mocuj maść do skóry głowy
Alconzapobiegaj wysuszaniu oka 
povidoneGreen Pharmaceutical corporationdezynfekuje obszar nacięcia
RHS 32ch Stim/Record headstageintan technologiesM4032podłącz złącze do interfejsu i zawiera intan RHS stim / amplifier chip
RHS 6-ft (1.8m) Stim SPIintan technologiesM3206podłącz elektrodę grafenową do sterownika headstage
RHS Stim/Recordingintan technologiesOprogramowanie do akwizycji danych
Kontroler stymulacji / nagrywaniaRHS intan technologiesM4200
sól fizjologicznaJW Skalpel farmaceutyczny
HammacherHSB 805-03
stereotaktyczny instrumentstoeltingmocuje przedmiot
sterylna igłapodskórnaKOREAVACCINE CORPORATIONusuń oponę twardą
Steven Iris Tissue KleszczeKASCO50-2026usuń oponę twardą
chirurgiczne nr 11FEATHERnaciąć skórę głowy
chirurgiczne sicssorsFine Science Tools14090-09naciąć skórę głowy i usunąć stymulację wąsów drewnianego patyczka
ksylazynaBayer Koreastosowana do znieczulenia
headstage FALCON Osstem interface cable ostrze opony twardej

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

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Reprints and Permissions

Request permission to reuse the text or figures of this JoVE article

Request Permission

Tags

Graphene Electrode ArrayBrain MappingCortical MapsSomatosensory CortexNeural Signal RecordingElectrocorticographyStereotaxic SurgeryLocal Field PotentialsHigh Spatiotemporal ResolutionBiocompatible Electrodes

Related Articles