Mapowanie mózgu za pomocą matrycy elektrod grafenowych

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.