Mapeamento Cerebral Usando um Arranjo de Eletrodos de Grafeno

O mapa cortical é um conjunto de manchas locais que representam propriedades de resposta a estímulos sensório-motores no córtex cerebral. Ele pode descobrir a formação espacial de redes neurais que podem oferecer uma previsão para percepção e cognição. Assim, mapas corticais são usados para estudar respostas neurais de estímulos externos e o processamento de informações sensório-motoras Criar mapas corticais são métodos invasivos e não invasivos.

O uso de eletrodos intracorticais é um dos métodos invasivos mais comuns usados para mapear o córtex cerebral. Como pode danificar o cérebro para alta resolução, impede que novas medições sejam feitas. Ferramentas alternativas de mapeamento cerebral, como EEG, PET, MEG, fMRI, são métodos não invasivos que permitem o mapeamento do cérebro inteiro e amostragem repetida.

No entanto, várias desvantagens são baixa resolução espaço-temporal, defasagem temporal, erros devido a entradas modulatórias não especificadas e custos proibitivos. Técnicas ópticas como imagem de cálcio e fMRI optogenética fornecem mapeamento cerebral em larga escala, mas não são clinicamente benéficas devido à toxicidade do indicador e baixa resolução espaço-temporal. O arranjo de eletrodos de grafeno exibe biocompatibilidade de longo prazo e flexibilidade mecânica que fornece registros estáveis do cérebro complicado.

Recentemente, nosso grupo desenvolveu um arranjo de eletrodos de grafeno que fornece registros de alta resolução para sinais neurais na superfície cortical. Este protocolo usa uma matriz de eletrodos de grafeno para registrar os SEPs da pata dianteira, membro anterior, pata traseira, membro posterior, tronco e bigode de um rato SD para criar um mapa cortical. Administrar uma injeção intraperitoneal de coquetel de cetamina e xilazina usando uma dosagem de 90 miligramas por quilograma para cetamina e 10 miligramas por quilograma para xilazina.

Para manter uma profundidade desejada de anestesia durante toda a cirurgia, injete um coquetel de 45 miligramas por quilograma de quetamina e cinco miligramas por quilograma de xilazina se o rato mostrar sinais de despertar. Aperte o dedo do pé para confirmar a profundidade da anestesia. Se o rato tremer, aguarde mais alguns minutos até que ele não mostre resposta.

Faça a barba na cabeça do rato do espaço entre os olhos até a parte de trás das orelhas usando um aparador. Em seguida, aplique uma pomada oftálmica nos olhos. Usando barras auriculares e adaptadores estereotáxicos, fixe a cabeça do rato no aparelho estereotáxico.

Certifique-se de que a cabeça do rato está fixada corretamente. Esterilize uma área raspada com algodão embebido em povidona. Esfregue a área raspada com álcool.

Repita o processo de esterilização três vezes. Em seguida, injete 0,1 mililitros de lidocaína a 2% no couro cabeludo para induzir anestesia local. Cria uma incisão de dois a três centímetros na linha média e afasta lateralmente o couro cabeludo Para expor o crânio.

Aperte o couro cabeludo para expor o crânio com pinças de mosquito. Comece removendo o periósteo coçando a superfície do crânio com pinças. Em linha reta em direção ao lambda, localize o esterno magno rasgando o músculo atrás do osso occipital na borda posterior.

Use um microscópio para ter uma visão de perto da cisterna magna. Incite a cisterna magna suavemente. Depois de rasgar a cisterna magna, os fluidos espinhais cerebrais fluem.

Escorra o líquido cefalorraquidiano com a gaze estéril enrolada para afundar o cérebro. Marca onde o eletrodo de grafeno será colocado com base nas coordenadas estereotáxicas predefinidas de acordo com a posição do bregma. O córtex somatossensorial localiza-se três milímetros no eixo anteroposterior e seis milímetros na direção lateral direita a partir do bregma craniano do hemisfério direito.

Perfurar a área marcada de acordo com a coordenada estereotáxica. Retire o crânio com o rongeur ósseo. Coloque um cotonete em uma agulha berrante 26.

Dobre a agulha a 90 graus. Para remover a dura-máter, crie um orifício usando uma agulha dobrada. Levante a dura-máter para cima, insira pinças nesse orifício e passe a cortar a dura-máter com tesoura ou rasgue-a com pinças.

Coloque a gaze estéril molhada com soro fisiológico no córtex somatossensorial para evitar que o córtex seque. Desconecte o arranjo de multieletrodos de grafeno sem causar danos aplicando solução salina. Remova a cobertura externa dos fios de referência e terra do conector.

Para configurar a matriz multieletrodos de grafeno para mapeamento, conecte o estágio principal com o conector. Conecte o conjunto de eletrodos de grafeno com o conector. Conecte o cabo de interface ao controlador de gravação.

Conecte o conjunto de multieletrodos de grafeno e o complexo de conectores a um cabo de interface. Em seguida, fixe o complexo de arranjo multieletrodo de grafeno no braço estereotáxico. Coloque o arranjo de eletrodos de grafeno no córtex somatossensorial com base nas coordenadas estereotáxicas predefinidas.

Coloque o fio de referência no tecido atrás do osso occipital. Em seguida, conecte o fio terra à mesa óptica aterrada. Abra o software de gravação e defina a taxa de amostragem em 30 kilohertz e clique no botão OK.

Ajuste o filtro de entalhe de 60 hertz para remover o ruído da alimentação. Dobre o bigode com um pau fino. Registrar sinais neurais através do sistema de aquisição de dados pelo tempo desejado.

Esses sinais são sinais neurais obtidos através de estímulos para whiskers. Outras partes do corpo também estimulam a mesma forma de registrar SEPs. Abra o arquivo de código MATLAB com read_Intan_RHS2000 nome.

Clique no botão Executar. Escolha o arquivo de gravação e clique nesse arquivo e, em seguida, aguarde até que o arquivo seja lido. Insira o gráfico de comando para criar um gráfico de linha 2D.

Selecionar os sinais de pico representativos que estavam em resposta ao estímulo e calcular as amplitudes dos PES medindo os valores máximo e mínimo. Obtenha o mapa topográfico colorindo a grade com a tonalidade diferente de cor de acordo com a amplitude do SEP. O arranjo de eletrodos de grafeno está à esquerda.

Há através de furos do substrato entre todos os eletrodos. Esses orifícios ajudam os eletrodos a manter forte contato com o córtex. À direita, a imagem mostra o arranjo de eletrodos no córtex.

À esquerda, a proporção de cada resposta neural dependente do local causada por estímulos a diferentes partes do corpo do rato é exibida na forma de um rato. Cada parte do corpo é representada com uma cor diferente. Isso configura um mapa do córtex somatossensorial.

À direita, a figura a seguir mostra um estímulo de respostas específicas obtidas através dos eletrodos de grafeno multicanal que foram colocados na superfície do córtex. Cada caixa colorida representa as respostas que diferentes partes do corpo tiveram nos 30 canais. A figura acima representa os LFPs detectados na superfície do córtex somatossensorial usando arranjos de eletrodos de grafeno.

A barra de cores mostra que uma amplitude maior é representada por um tom de cor mais escuro e cada cor representa uma parte diferente do corpo. A figura flexiona a amplitude com base nas tonalidades na barra de cores. Este homúnculo do roedor foi criado usando os resultados que acabaram de ser explicados.

Quanto maior a amplitude de uma determinada parte do corpo, maior ela seria ilustrada no homônimo. A figura abaixo representa um dado separado de LFPs coletados de cada parte do corpo. Ele representa as amplitudes variáveis de LFPs detectadas com base na barra de cores.

Existem vários cuidados para este procedimento. Ao remover o líquido cefalorraquidiano, o experimentador deve ter cuidado para não tocar no tronco cerebral ou em uma medula espinhal. Essa etapa exige prática.

O whisker de roedores é desenvolvido o suficiente para sentir uma direção de deflexão, intensidade do estímulo e localização do bigode que foi estimulado. Por isso, os bigodes devem ser estimulados em direção e intensidade constantes para este protocolo. Outras partes do corpo também devem ser estimuladas de forma consistente.

A limitação deste protocolo é que os sinais evocados em estruturas cerebrais profundas não podem ser registrados quando um arranjo de eletrodos de grafeno é montado na superfície cortical. Assim, o experimentador não consegue identificar como a rede colunar está hierarquicamente organizada em relação às respostas neurais. No entanto, este protocolo pode ser aplicado se o experimentador alterar as múltiplas áreas onde as matrizes de eletrodos são colocadas.

Por exemplo, se o experimentador coloca o eletrodo no córtex auditivo ou visual para extrair informações auditivas e visuais, ele pode adquirir os mapas auditivos ou visuais. Além disso, este protocolo pode ser estendido para o implante crônico do arranjo multieletrodo de grafeno.