Method Article

Картирование мозга с помощью графеновой электродной матрицы

DOI:

10.3791/64910

⸱

October 20th, 2023

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

* These authors contributed equally

In This Article

Summary

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

Мы представляем процедуру картирования мозга на основе графенового массива для снижения инвазивности и улучшения пространственно-временного разрешения. Поверхностные электроды на основе графеновых матриц демонстрируют долгосрочную биосовместимость, механическую гибкость и пригодность для картирования мозга в извитом мозге. Этот протокол позволяет строить несколько форм сенсорных карт одновременно и последовательно.

Abstract

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

Корковые карты представляют собой пространственную организацию зависящих от местоположения нейронных реакций на сенсомоторные стимулы в коре головного мозга, что позволяет предсказывать физиологически значимое поведение. Для получения карт коры головного мозга использовались различные методы, такие как проникающие электроды, электроэнцефалография, позитронно-эмиссионная томография, магнитоэнцефалография и функциональная магнитно-резонансная томография. Однако эти методы ограничены плохим пространственно-временным разрешением, низким отношением сигнал/шум (SNR), высокой стоимостью, а также небиосовместимостью или физическим повреждением мозга. В этом исследовании предлагается метод соматосенсорного картирования на основе графеновой матрицы в качестве особенности электрокортикографии, который обеспечивает превосходную биосовместимость, высокое пространственно-временное разрешение, желательное отношение сигнал/шум и минимальное повреждение тканей, преодолевая недостатки предыдущих методов. Это исследование продемонстрировало возможность использования графеновой электродной решетки для соматосенсорного картирования у крыс. Представленный протокол может быть применен не только к соматосенсорной коре, но и к другим корам, таким как слуховая, зрительная и моторная кора, обеспечивая передовые технологии для клинической реализации.

Introduction

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

Корковая карта представляет собой набор локальных участков, представляющих свойства реакции на сенсомоторные стимулы в коре головного мозга. Они представляют собой пространственное образование нейронных сетей и позволяют предсказывать восприятие и познание. Таким образом, корковые карты полезны для оценки нейронных реакций на внешние стимулы и обработки сенсомоторной информации 1,2,3,4. Существуют инвазивные и неинвазивные методы картирования коры головного мозга. Один из наиболее распространенных инвазивных методов предполагает использование интракортикальных (или проникающих) электродов для картирования 5,6,7,8.

Оценка карт коры головного мозга с высоким разрешением с помощью проникающих электродов столкнулась с рядом препятствий. Метод слишком трудоемкий, чтобы получить достойную карту, и слишком инвазивный для клинического использования, что препятствует дальнейшему развитию. Более современные технологии, такие как электроэнцефалография (ЭЭГ), позитронно-эмиссионная томография (ПЭТ), магнитоэнцефалография (МЭГ) и функциональная магнитно-резонансная томография (фМРТ), приобрели популярность, поскольку они менее инвазивны и воспроизводимы. Однако, учитывая их непомерно высокую стоимость и плохое разрешение, они используются в ограниченном числе случаев 9,10,11. В последнее время большое внимание привлекли гибкие поверхностные электроды с превосходной надежностью сигнала. Поверхностные электроды на основе графена демонстрируют долгосрочную биосовместимость и механическую гибкость, обеспечивая стабильные записи в извитом мозге 12,13,14,15,16. Наша группа недавно разработала многоканальный массив на основе графена для записи с высоким разрешением и сайт-специфической нейростимуляции на поверхности коры головного мозга. Эта технология позволяет нам отслеживать корковые представления сенсорной информации в течение длительного периода времени.

В этой статье описываются этапы получения карты мозга соматосенсорной коры с использованием 30-канальной графеновой мультиэлектродной решетки. Для измерения мозговой активности на субдуральную область коры помещают графеновую электродную решетку, а переднюю лапу, переднюю конечность, заднюю лапу, заднюю лапу, заднюю конечность, туловище и усы стимулируют деревянной палочкой. Соматосенсорные вызванные потенциалы (СЭП) регистрируются для соматосенсорных областей. Этот протокол также может быть применен к другим областям мозга, таким как слуховая, зрительная и моторная кора.

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

Protocol

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

Все процедуры обращения с животными были одобрены Институциональным комитетом по уходу за животными и их использованию Инчхонского национального университета (INU-ANIM-2017-08).

1. Подготовка животных к операции

ПРИМЕЧАНИЕ: В этом эксперименте используйте крысу Sprague Dawley Rat (8-10 недель) без предвзятости по половому признаку.

  1. Обезболивайте крыс коктейлем 90 мг/кг кетамина и 10 мг/кг ксилазина внутрибрюшинно. Чтобы поддерживать желаемую глубину анестезии на протяжении всей операции, дайте крысе дополнительный коктейль 45 мг/кг кетамина и 5 мг/кг ксилазина, когда крыса проявляет признаки пробуждения.
  2. Убедитесь, что крыса находится под глубоким наркозом, и регулярно проверяйте отражения тела, такие как защемление пальца ноги, хвоста и роговичный рефлекс.
  3. Сбрейте шерсть между глазами и задней частью ушей с помощью триммера.
  4. Нанесите офтальмологическую мазь на глаза, чтобы предотвратить их пересыхание.

2. Хирургическое вмешательство по поводу обнажения кортикальной поверхности

  1. Закрепите голову крысы на стереотаксическом аппарате с помощью стереотаксического адаптера. Чтобы поддерживать температуру тела 37 °C во время операции, поместите крысу на грелку с регулируемой температурой.
  2. Простерилизуйте выбритый участок чередующимися скрабами из спирта и повидон-йода три раза.
  3. Используйте щипцы, чтобы крепко захватить кожу головы, и введите 0,1 мл лидокаина (2%) с помощью шприца непосредственно в кожу головы, чтобы вызвать местную анестезию в области операции.
  4. Сделайте скальпелем разрез по средней линии длиной 2-3 см и раздвиньте скальп, чтобы обнажить череп.
  5. Зажмите кожу головы комариными щипцами, чтобы обнажить череп.
  6. Поцарапайте поверхность черепа щипцами, чтобы удалить надкостницу.
  7. Тупым рассекаем мышцы над затылочным черепом, чтобы обнажить большую цистерну над осью на верхней части спинного мозга.
  8. Разрежьте большую цистерну лезвием, чтобы слить спинномозговую жидкость, и поместите стерильную марлю внутрь разреза большой цистерны, чтобы постоянно впитывать спинномозговую жидкость, чтобы предотвратить отек мозга и свести к минимуму воспаление.
  9. Карандашом отметьте на черепе прямоугольное окошко размером 3 мм по переднезадней оси и 6 мм в правом боковом направлении от брегмы правого полушария.
    ПРИМЕЧАНИЕ: Маркировка должна быть закреплена на расстоянии 1 мм от средней линии, чтобы избежать разрыва верхнего сагиттального синуса.
  10. Просверлите отмеченный участок в соответствии со стереотаксической координатой и удалите череп костяным ронжером.
  11. Чтобы удалить твердую мозговую оболочку, согните кончик иглы 26 G на 90°, сделайте отверстие в твердой мозговой оболочке, приподнимите твердую мозговую оболочку, вставьте в это отверстие щипцы и разорвите ее щипцами.
  12. Положите смоченную физиологическим раствором марлю на соматосенсорную кору, чтобы предотвратить ее высыхание.

3. Подготовка графеновой электродной решетки, подключенной к системе регистрации

  1. Подготовьте графеновую электродную решетку с омнетическим разъемом.
    1. Отсоедините графеновую многоэлектродную решетку, не повредив ее, нанеся солевой раствор.
    2. Снимите внешнюю оболочку опорного и заземляющего проводов с разъема.
  2. Подключите головной столик с графеновой электродной решеткой к разъему.
  3. Подключите интерфейсный кабель, подключенный к головному столику, к системе записи.
  4. Закрепите комплекс графеновых электродов в стереотаксическом плече.
  5. Для захвата нейронных сигналов со всех каналов расположите массив на соматосенсорной коре головного мозга без каких-либо изгибов, следуя заданным стереотаксическим координатам.
  6. Поместите опорный провод под ткань за затылочной костью и подсоедините провод заземления к заземленному оптическому столу.

4. Физическая стимуляция и запись SEP для картирования

  1. Откройте программное обеспечение для записи нейронных сигналов.
  2. Настройте программную среду записи: (1) установите частоту дискретизации для SEP и режекторного фильтра (60 или 50 Гц, частота бытовой электрической мощности), чтобы удалить шум из линии питания.
  3. Для отображения усов согните их тонкой палочкой.
  4. Постоянно тыкайте в переднюю лапу, переднюю конечность, заднюю лапу, заднюю конечность и туловище деревянной палочкой для картографирования тела.
  5. Запись нейронных сигналов в систему сбора данных за указанное время.

5. Эвтаназия животных

  1. После всех регистрирующих процедур принесите крыс в жертву анестезией с использованием >5% изофлурана и проведите рассечение шейки матки.

6. Измерение SEP для картирования коры головного мозга

  1. Откройте MATLAB под кодовым именем read_Intan_RHS2000_file.m для анализа сигналов.
    ПРИМЕЧАНИЕ: read_Intan_RHS2000_file.m можно загрузить с сайта "https://intantech.com/downloads.html?tabSelect=Software".
  2. Нажмите кнопку «Выполнить », выберите файл записи с расширением «.rhs» и подождите, пока файл будет обработан и прочитан.
  3. Введите команду "plot (t, amplifier_data("номер канала",:))" для создания 2D линейного графика записываемых данных, найдите SEP и рассчитайте амплитуду SEP во всех каналах.
    ПРИМЕЧАНИЕ: Введите номер канала в поле «Номер канала». Например, "plot(t, amplifier_data(1,:))" создает 2D-график линии канала 1. Кроме того, когда экспериментатор рассчитывает амплитуду отклика, выбирайте отклик, записанный с каждого канала.
  4. Получите данные, раскрасив сетку в другой оттенок в соответствии с амплитудой SEP.
    ПРИМЕЧАНИЕ: Команда MATLAB "imagesc" помогает быстрее получить топографическую карту.

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

Results

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

Этот протокол описывает, как графеновая многоканальная матрица монтируется на поверхности мозга. Соматосенсорная карта была построена путем получения нейронных реакций на физические стимулы и вычисления амплитуды ответа. На рисунке 1 показана схема этого эксперимента.

На рисунке 2А представлены структурные характеристики графеновой электродной решетки. Между электродами имеются сквозные отверстия подложки. Эти отверстия помогают элект...

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

Discussion

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

Представленный протокол представляет собой углубленный пошаговый процесс, который объясняет, как получить доступ к соматосенсорным реакциям крыс и отобразить их с помощью графеновой электродной решетки. Данные, полученные протоколом, представляют собой SEP, которые предоставляют соматосенсорную информацию, синаптически связанную с каждой частью тела.

Следует рассмотреть несколько аспектов этого протокола. При извлечении спинномозговой жидкости для предотвращения отека мозга и смягчения воспале...

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

Disclosures

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

Нам нечего разглашать.

Acknowledgements

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

Эта работа была поддержана Инчхонским национальным университетом (Международный кооператив) для Sunggu Yang.

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

Materials

List of materials used in this article
NameCompanyCatalog NumberComments
Шприц объемом 1 млKOREAVACCINE CORPORATIONдля инъекций препарата для анестезии 
Шприц объемом 3млKOREAVACCINE CORPORATIONдля инъекций препарата для анестезии 
Костный ронжерFine Science Tools16220-14удалить соединитель черепа
GbrainПодключить графеновый электрод к
сверлуинструмент FALCON зашлифоватьсверло черепа
остемальный имплантатотшлифовать череп
щипцы радужной оболочки Graefe слегка изогнутый зубчатыйвубуvudu-02-73010удалить ткань из черепа или трюма стеклоочистителя
графеновая многоэлектродная решеткаGbrainзаписывает сигналы от нейрона
изофлуранаHana Pharm Corporationжертва субъекта
кетаминюхан корпорацияиспользуется для анестезии
лидокаин (2%)Daihan pharmaceutical местный анестетик
Matlab R2021bMathworksАнализ данных Программное обеспечение
гемостатиков от комаровFine Science Tools91309-12закрепить мазь для кожи головы
Alconпредотвращает высыхание глаз 
povidoneЗеленая фармацевтическая корпорациядезинфицирует область разреза
RHS 32ch Stim/Record headstageintan technologiesM4032подключает разъем к интерфейсному кабелю и содержит интан RHS stim/усилитель
RHS 6-футовый (1,8 м) Stim SPI интерфейсный кабельintan technologiesM3206подключает графеновый электрод к голове
RHS Stim/Recording контроллер программного обеспеченияintan technologiesПрограммное обеспечение для сбора данных
RHS стимуляция/ Запись контроллерintan technologiesM4200
физиологический растворJW Фармацевтический
скальпельHammacherHSB 805-03
стереотаксический инструментстоелированиязакрепить субъект
стерильной иглойдля подкожных инфекцийKOREAVACCINE CORPORATIONудалить твердую мозговую оболочку
Тканевые щипцы Steven IrisKASCO50-2026удалить твердую мозговую оболочку
хирургическое лезвие No11ПЕРОудар на кожу головы
хирургические сикссорыFine Science Tools14090-09нанести удар на кожу головы и удалить твердую мозговую оболочку
деревянной палочкойстимуляция усов
ксилазинBayer Koreaиспользуется для анестезии
для головы для чип для нанести

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