Mapowanie mózgu za pomocą matrycy elektrod grafenowych
20 października 2023
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.
Mapa kory mózgowej to zestaw lokalnych plam reprezentujących właściwości odpowiedzi na czuciowe bodźce motoryczne w korze mózgowej. Może odkryć przestrzenne formowanie się sieci neuronowych, które mogą oferować przewidywanie dla percepcji i poznania. W związku z tym mapy korowe są wykorzystywane do badania reakcji neuronalnych na bodźce zewnętrzne i przetwarzania informacji sensoryczno-motorycznych Tworzenie map korowych to metody inwazyjne i nieinwazyjne.
Korzystanie z elektrod wewnątrzkorowych jest jedną z najczęstszych metod inwazyjnych stosowanych do mapowania kory mózgowej. Ponieważ może uszkodzić mózg w celu uzyskania wysokiej rozdzielczości, uniemożliwia wykonanie dalszych pomiarów. Alternatywne narzędzia do mapowania mózgu, takie jak EEG, PET, MEG, fMRI, to nieinwazyjne metody, które pozwalają na mapowanie całego mózgu i wielokrotne pobieranie próbek.
Jednak kilka wad to niska przestrzenna rozdzielczość czasowa, opóźnienie czasowe, błędy spowodowane nieokreślonymi danymi wejściowymi modulacji i zaporowe koszty. Techniki optyczne, takie jak obrazowanie wapnia i optogenetyczny fMRI, zapewniają mapowanie mózgu na dużą skalę, ale nie są korzystne klinicznie ze względu na toksyczność wskaźnikową i niską rozdzielczość przestrzenną. Układ elektrod grafenowych wykazuje długoterminową biokompatybilność i elastyczność mechaniczną, co zapewnia stabilne zapisy splątanego mózgu.
Ostatnio nasza grupa opracowała matrycę elektrod grafenowych, która zapewnia wysokiej rozdzielczości zapisy sygnałów nerwowych na powierzchni kory mózgowej. Protokół ten wykorzystuje matrycę elektrod grafenowych do rejestrowania SEP z przedniej łapy, kończyny przedniej, tylnej łapy, kończyny tylnej, tułowia i wąsów szczura SD w celu stworzenia mapy korowej. Podać dootrzewnowe wstrzyknięcie ketaminy i koktajlu ksylazyny, stosując dawkę 90 miligramów na kilogram w przypadku ketaminy i 10 miligramów na kilogram w przypadku ksylazyny.
Aby utrzymać pożądaną głębokość znieczulenia przez cały czas operacji, wstrzyknij 45 miligramów na kilogram ketaminy i pięć miligramów na kilogram ksylazyny, jeśli szczur wykazuje oznaki przebudzenia. Ściśnij palec u nogi, aby potwierdzić głębokość znieczulenia. Jeśli szczur drży, poczekaj dodatkowe minuty, aż nie wykaże żadnej odpowiedzi.
Ogol futro na głowie szczura od przestrzeni między oczami do tylnej części uszu za pomocą trymera. Następnie nałóż maść okulistyczną na oczy. Za pomocą pasków słuchowych i adapterów stereotaktycznych przymocuj głowę szczura do aparatu stereotaktycznego.
Upewnij się, że głowa szczura jest prawidłowo zamocowana. Wysterylizuj ogolony obszar bawełnianą zamianą nasączoną powidonem. Wyszoruj ogolone miejsce alkoholem.
Powtórz proces sterylizacji trzy razy. Następnie wstrzyknij 0,1 mililitra 2% lidokainy w skórę głowy, aby wywołać znieczulenie miejscowe. Tworzy dwu- lub trzycentymetrowe nacięcie w linii środkowej i bocznie rozsuwa skórę głowy, aby odsłonić czaszkę.
Zaciśnij skórę głowy, aby odsłonić czaszkę za pomocą kleszczy do komarów. Zacznij od usunięcia okostnej, drapiąc powierzchnię czaszki kleszczami. W linii prostej w kierunku lambdy zlokalizuj mostek wielki, rozrywając mięsień za kością potyliczną na tylnej krawędzi.
Użyj mikroskopu, aby uzyskać bliski widok cisterna magna. Delikatnie naciąć cisterna magna. Po zerwaniu cisterna magna wypływają płyny mózgowo-rdzeniowe.
Opróżnij płyn mózgowo-rdzeniowy za pomocą zwiniętej sterylnej gazy, aby zanurzyć się w mózgu. Zaznacz miejsce, w którym zostanie umieszczona elektroda grafenowa na podstawie predefiniowanych współrzędnych stereotaktycznych zgodnie z położeniem bregmy. Kora somatosensoryczna znajduje się trzy milimetry w przedniej tylnej osi i sześć milimetrów w prawym kierunku bocznym od bregmy prawej półkuli czaszki.
Wywierć obszar zaznaczony zgodnie ze współrzędną stereotaktyczną. Usuń czaszkę z kością rongeur. Wbij bawełniany wacik w jaskrawą igłę o średnicy 26.
Zegnij igłę do 90 stopni. Aby usunąć oponę twardą, utwórz otwór za pomocą wygiętej igły. Podnieś oponę twardą do góry, włóż kleszcze do tego otworu i przystąp do cięcia opony twardej nożyczkami lub rozerwij ją kleszczami.
Przymocuj sterylną gazę zwilżoną solą fizjologiczną do kory somatosensorycznej, aby zapobiec wysychaniu kory. Odłącz matrycę wieloelektrodową grafenu, nie powodując żadnych uszkodzeń, stosując roztwór soli fizjologicznej. Zdejmij zewnętrzną osłonę przewodu odniesienia i uziemiającego ze złącza.
Aby skonfigurować matrycę wieloelektrodową grafenu do mapowania, połącz stopień głowicy ze złączem. Połącz matrycę elektrod grafenowych ze złączem. Podłącz interfejsu do kontrolera nagrywania.
Podłącz grafenowy układ wieloelektrodowy i kompleks złączy do interfejsu. Następnie przymocuj grafenowy kompleks wieloelektrodowy do ramienia stereotaktycznego. Umieść matrycę elektrod grafenowych na korze somatosensorycznej w oparciu o predefiniowane współrzędne stereotaktyczne.
Umieść drut referencyjny w tkance za kością potyliczną. Następnie podłącz przewód uziemiający do uziemionego stołu optycznego. Otwórz oprogramowanie do nagrywania i ustaw częstotliwość próbkowania na 30 kiloherców, a następnie kliknij przycisk OK.
Ustaw filtr wycinający 60 Hz, aby usunąć szumy z zasilania. Zegnij wąsy cienkim patyczkiem. Rejestruj sygnały neuronowe za pomocą systemu akwizycji danych przez żądany czas.
Sygnały te są sygnałami neuronalnymi uzyskiwanymi poprzez bodźce dla wąsów. Inne części ciała również stymulują w ten sam sposób do rejestrowania SEP. Otwórz plik o nazwie kodowej MATLAB read_Intan_RHS2000.
Kliknij przycisk Uruchom. Wybierz plik nagrania i kliknij ten plik, a następnie poczekaj, aż plik zostanie odczytany. Wprowadź polecenie, aby utworzyć wykres liniowy 2D.
Wybierz reprezentatywne sygnały szczytowe, które były w odpowiedzi na bodziec, i oblicz amplitudy SEP, mierząc wartości maksymalne i minimalne. Mapę topograficzną można uzyskać, kolorując nachylenie innym odcieniem koloru w zależności od amplitudy SEP. Układ elektrod grafenowych znajduje się po lewej stronie.
Pomiędzy wszystkimi elektrodami znajdują się otwory przelotowe w podłożu. Otwory te pomagają elektrodom utrzymać silny kontakt z korą. Po prawej stronie zdjęcie przedstawia układ elektrod na korze mózgowej.
Po lewej stronie stosunek każdej zależnej od lokalizacji odpowiedzi neuronalnej spowodowanej stymulacją do różnych części ciała szczura jest wyświetlany w kształcie szczura. Każda część ciała jest reprezentowana przez inny kolor. Spowoduje to skonfigurowanie mapy kory somatosensorycznej.
Po prawej stronie poniższy rysunek przedstawia specyficzne dla bodźców reakcje uzyskane za pośrednictwem wielokanałowych elektrod grafenowych, które zostały umieszczone na powierzchni kory mózgowej. Każde kolorowe pole reprezentuje reakcje, jakie różne części ciała miały na 30 kanałach. Powyższy rysunek przedstawia LFP wykryte na powierzchni kory somatosensorycznej przy użyciu układów elektrod grafenowych.
Kolorowy pasek pokazuje, że większa amplituda jest reprezentowana przez ciemniejszy odcień koloru, a każdy kolor reprezentuje inną część ciała. Figura wygina amplitudę w oparciu o odcienie na pasku kolorów. Ten homunkulus gryzonia został stworzony przy użyciu wyników, które właśnie zostały wyjaśnione.
Im większą amplitudę miały określone części ciała, tym większe byłyby one zilustrowane na homonculusie. Poniższy rysunek przedstawia osobne dane LFP zebrane z każdej części ciała. Reprezentuje różne amplitudy LFP wykrywane na podstawie kolorowego paska.
Istnieje kilka środków ostrożności dotyczących tej procedury. Podczas usuwania płynu mózgowo-rdzeniowego eksperymentator powinien uważać, aby nie dotknąć pnia mózgu ani rdzenia kręgowego. Ten krok wymaga praktyki.
Wąs gryzoni jest wystarczająco rozwinięty, aby wyczuć kierunek odchylenia, intensywność bodźca i lokalizację wąsa, który został pobudzony. Dlatego w tym protokole wąsy powinny być stymulowane w stałym kierunku i intensywności. Inne części ciała również powinny być konsekwentnie stymulowane.
Ograniczeniem tego protokołu jest to, że sygnały wywoływane w głębokich strukturach mózgu nie mogą być rejestrowane, ponieważ matryca elektrod grafenowych jest zamontowana na powierzchni kory mózgowej. W związku z tym eksperymentator nie może zidentyfikować, w jaki sposób sieć kolumnowa jest hierarchicznie zorganizowana w odniesieniu do odpowiedzi neuronalnych. Niemniej jednak protokół ten może być dalej stosowany, jeśli eksperymentator zmieni wiele obszarów, w których umieszczone są układy elektrod.
Na przykład, jeśli eksperymentator umieści elektrodę na korze słuchowej lub wzrokowej, aby wyodrębnić informacje słuchowe i wzrokowe, może uzyskać mapy słuchowe lub wzrokowe. Protokół ten można również rozszerzyć na przewlekłą implantację matrycy wieloelektrodowej z grafenu.
Wyświetl pełny transkrypt i uzyskaj dostęp do tysięcy filmów naukowych
Przegląd
To badanie przedstawia procedurę opartą na układzie grafenowych tablic do mapowania mózgu, która poprawia rozdzielczość przestrzenno-czasową, minimalizując jednocześnie inwazyjność. Układy elektrod grafenowych wykazują długotrwałą biokompatybilność i elastyczność mechaniczną, co sprawia, że są odpowiednie do rejestracji sygnałów nerwowych z zawiłych obszarów mózgu.
Kluczowe elementy badania
Obszar nauki
- Neuronauki
- Elektrofizjologia
- Techniki mapowania mózgu
Tło
- Mapy korowe identyfikują właściwości odpowiedzi na stymulacje sensoryczno-ruchowe.
- Tradycyjne metody obejmują techniki inwazyjne (elektrody dokorowe) i nieinwazyjne (EEG, PET, MEG, fMRI), każda z ograniczeń.
- Układy elektrod grafenowych są nowatorskim rozwiązaniem, które łączy wysokiej rozdzielczości rejestracji bez znaczącego uszkodzenia tkanki.
Cel badania
- Rozwój mniej inwazyjnej i bardziej skutecznej metody tworzenia map korowych z użyciem układów elektrod grafenowych.
- Wykazanie zdolności do rejestrowania potencjałów wywołanych sensorycznie (SEP) na różnych częściach ciała.
Stosowane metody
- Do rejestracji sygnałów nerwowych na powierzchni korowej szczurów SD użyto układu elektrod grafenowych.
- Podczas operacji utrzymywano znieczulenie, przy czym szczegółowo opisano środki ostrożności chirurgicznych dotyczące umieszczania elektrod.
- Konfiguracja obejmowała podłączenie układu grafenowego do systemu rejestrującego, aby efektywnie pozyskać dane.
Główne wyniki
- Układ elektrod grafenowych umożliwia stabilne, wysokiej rozdzielczości rejestrowanie SEP.
- Sygnały zostały pomyślnie zarejestrowane z łapy przedniej, kończyny przedniej, łapy tylnej, kończyny tylnej, tułowia i wąsów.
- Na podstawie amplitud SEP wygenerowano mapy topograficzne, ujawniając przestrzenną organizację w korze somatosensorycznej.
Wnioski
- To badanie wykazuje potencjał układów elektrod grafenowych w szczegółowym mapowaniu mózgu przy minimalnej inwazyjności.
- Metodologia umożliwia jednoczesne rejestrowanie z wielu obszarów sensorycznych, zwiększając nasze zrozumienie map korowych.
Często zadawane pytania
Executive Industry Relevance
High-resolution cortical mapping using graphene electrode arrays addresses the persistent challenge of balancing spatial precision with biocompatibility in neurophysiological research. This technology enables reliable, minimally invasive acquisition of neural activity maps, supporting predictive confidence in early CNS target validation and mechanistic de-risking. Its scalability and adaptability across cortical regions position it as a reusable platform for translational neuroscience and preclinical model development.
Strategic Applications in Biopharma R&D
Early Discovery & Target Validation
- Enables precise mapping of neural response properties to sensorimotor stimuli for functional target validation.
- Supports mechanistic de-risking by clarifying spatial organization of neural networks in disease-relevant systems.
- Facilitates predictive confidence in CNS target selection through quantitative, location-dependent neural readouts.
Screening & Assay Development
- Provides validated, high-resolution electrophysiological systems for downstream compound screening workflows.
- Delivers reproducible, quantitative sensory evoked potential (SEP) measurements for assay standardization.
- Enables platform reuse across somatosensory, auditory, visual, and motor cortex mapping applications.
Translational & Preclinical Research
- Aligns with translational biomarker strategies by generating topographic maps relevant to preclinical CNS models.
- Supports continuity from discovery through preclinical validation by enabling chronic implantation and longitudinal studies.
- Reduces biological risk in CNS programs by minimizing tissue damage and maximizing data fidelity.
Pipeline & Workflow Integration
This graphene electrode array method integrates into the discovery-to-preclinical continuum, enabling robust hypothesis testing and quantitative neural mapping for CNS programs.
- Discovery Biology: Supports spatially resolved hypothesis testing and pathway clarification in cortical circuits.
- Screening: Delivers reproducible, quantitative SEP outputs for comparative analysis of experimental conditions.
- Analytics: Provides high SNR, amplitude-based topographic maps for cross-condition and cross-region comparisons.
- Translational Research: Facilitates biomarker alignment and preclinical model validation in CNS research.
- Enterprise Reuse: Offers a scalable, minimally invasive platform adaptable to multiple cortical targets and study designs.
Operational & Enterprise Impact
- Scientific Value: Increases predictive confidence and reduces mechanistic ambiguity in CNS target validation.
- Operational Value: Enhances standardization, reproducibility, and scalability of neural mapping workflows.
- Strategic Value: Improves go/no-go decision quality and capital efficiency by reducing late-stage biological risk.
- Portfolio Impact: Enables risk-adjusted prioritization and advancement of CNS discovery programs.
Implementation Considerations
- Requires expertise in stereotaxic surgery and electrophysiological data acquisition.
- Demands specialized graphene electrode arrays and compatible recording infrastructure.
- Necessitates rigorous cross-team standardization of stimulation protocols and data analysis.
- Adaptable across cortical regions but limited to surface neural activity; deep structure mapping is not supported.
- Consistent stimulus delivery and careful surgical technique are critical for reproducibility and data quality.
Biopharma FAQs
Chapters in this video
0:02
Introduction
1:47
Animal preparation for surgery
2:33
Surgery for cortical surface exposure
4:58
Prepare a graphene electrode array that is connected to the recording system
6:12
Physical stimulation and recording SEPs for mapping
6:46
SEP measurement for cortical mapping
7:36
Representative Results
9:17
Conclusion
