Картирование мозга с помощью графеновой электродной матрицы

Корковая карта представляет собой набор локальных участков, представляющих свойства реакции на сенсомоторные стимулы в коре головного мозга. Он может обнаружить пространственное формирование нейронных сетей, которые могут предложить прогноз для восприятия и познания. Таким образом, корковые карты используются для изучения нейронных реакций на внешние раздражители и обработки сенсомоторной информации.

Использование интракортикальных электродов является одним из наиболее распространенных инвазивных методов, используемых для картирования коры головного мозга. Поскольку он может повредить мозг при высоком разрешении, он препятствует дальнейшим измерениям. Альтернативные инструменты картирования мозга, такие как ЭЭГ, ПЭТ, МЭГ, фМРТ, являются неинвазивными методами, которые позволяют картировать весь мозг и повторно брать пробы.

Однако есть несколько недостатков: низкое пространственное временное разрешение, временное запаздывание, ошибки из-за незаданных модулирующих входов и непомерно высокие затраты. Оптические методы, такие как кальциевая визуализация и оптогенетическая фМРТ, обеспечивают крупномасштабное картирование мозга, но не являются клинически полезными из-за токсичности индикаторов и низкого пространственно-временного разрешения. Графеновая электродная матрица демонстрирует долгосрочную биосовместимость и механическую гибкость, что обеспечивает стабильную запись извитого мозга.

Недавно наша группа разработала графеновую электродную матрицу, которая обеспечивает запись нейронных сигналов на поверхности коры головного мозга с высоким разрешением. Этот протокол использует графеновую электродную решетку для записи SEP с передней, передней, задней лапы, задней конечности, туловища и усов крысы SD для создания карты коры головного мозга. Введите внутрибрюшинную инъекцию коктейля кетамин и ксилазин, используя дозировку 90 миллиграмм на килограмм для кетамина и 10 миллиграмм на килограмм для ксилазина.

Чтобы поддерживать желаемую глубину анестезии на протяжении всей операции, введите 45 миллиграммов на килограмм кетамина и коктейль из ксилазина пять миллиграммов на килограмм, если крыса проявляет признаки пробуждения. Зажмите палец ноги, чтобы подтвердить глубину анестезии. Если крыса дрожит, подождите еще несколько минут, пока она не перестанет реагировать.

Сбрейте шерсть на голове крысы от пространства между глазами до задней части ушей с помощью триммера. Затем нанесите на глаза офтальмологическую мазь. С помощью ушных планок и стереотаксических адаптеров зафиксируйте голову крысы на стереотаксическом аппарате.

Убедитесь, что голова крысы зафиксирована правильно. Простерилизуйте выбритый участок ватой, пропитанной повидоном. Потрите выбритый участок спиртом.

Повторите процесс стерилизации три раза. Затем введите 0,1 миллилитра 2% лидокаина в кожу головы, чтобы вызвать местную анестезию. Создает двух-трехсантиметровый разрез по средней линии и латерально раздвигает кожу головы, чтобы обнажить череп.

Зажмите кожу головы, чтобы обнажить череп, с помощью комарных щипцов. Начните с удаления надкостницы, поцарапав поверхность черепа щипцами. По прямой линии к лямбде найдите большую грудину, разорвав мышцу позади затылочной кости на заднем крае.

Используйте микроскоп, чтобы получить близкое представление о cisterna magna. Аккуратно надрежьте большую цистерну. После разрыва большой цистерны спинномозговая жидкость вытекает наружу.

Дренируйте спинномозговую жидкость с помощью свернутой стерильной марли, чтобы она погрузилась в мозг. Отметьте, где будет размещен графеновый электрод, на основе предопределенных стереотаксических координат в соответствии с положением брегмы. Соматосенсорная кора расположена на три миллиметра в передней задней оси и шесть миллиметров в правом латеральном направлении от брегмы правого полушария черепа.

Просверлите область, отмеченную в соответствии со стереотаксической координатой. Удалите череп с помощью костяного ронжера. Воткните ватный тампон в 26 ярких игл.

Согните иглу на 90 градусов. Чтобы удалить твердую мозговую оболочку, создайте отверстие с помощью изогнутой иглы. Поднимите твердую мозговую оболочку вверх, вставьте щипцы в это отверстие и приступайте к разрезанию твердой мозговой оболочки ножницами или разрывайте ее щипцами.

Приложите стерильную марлю, смоченную физиологическим раствором, к соматосенсорной коре, чтобы предотвратить пересыхание коры. Отсоедините графеновую многоэлектродную решетку, не повредив ее, нанеся физиологический раствор. Снимите внешнюю оболочку опорного и заземляющего проводов с разъема.

Чтобы настроить графеновую многоэлектродную решетку для картирования, подключите головной столик к разъему. Соедините графеновую электродную решетку с разъемом. Подключите интерфейсный кабель к контроллеру записи.

Подключите графеновую многоэлектродную матрицу и соединительный комплекс к интерфейсному кабелю. Затем закрепите комплекс графеновой многоэлектродной матрицы на стереотаксическом плече. Поместите графеновый электрод на соматосенсорную кору на основе заранее определенных стереотаксических координат.

Поместите опорный провод в ткань за затылочной костью. Затем подключите провод заземления к заземленному оптическому столу. Откройте программное обеспечение для записи, установите частоту дискретизации на 30 килогерц и нажмите кнопку OK.

Установите режекторный фильтр 60 герц, чтобы удалить шум от питания. Согните усы тонкой палочкой. Записывайте нейронные сигналы через систему сбора данных в течение желаемого времени.

Эти сигналы являются нейронными сигналами, полученными с помощью стимулов для усов. Другие части тела также стимулируются таким же образом, чтобы регистрировать SEP. Откройте файл MATLAB с кодовым именем read_Intan_RHS2000.

Нажмите кнопку «Выполнить». Выберите файл записи, щелкните его и подождите, пока файл будет прочитан. Введите команду plot, чтобы создать 2D-линейный график.

Выберите репрезентативные пиковые сигналы, которые были в ответ на стимул, и рассчитайте амплитуды SEP, измерив максимальное и минимальное значения. Получите топографическую карту, раскрасив уклон различными оттенками цвета в соответствии с амплитудой SEP. Графеновая электродная решетка слева.

Между всеми электродами имеются сквозные отверстия подложки. Эти отверстия помогают электродам поддерживать прочный контакт с корой головного мозга. Справа на изображении показана электродная решетка в коре головного мозга.

Слева показано соотношение каждой зависящей от местоположения нейронной реакции, вызванной стимуляцией к различным частям тела крысы, в форме крысы. Каждая часть тела представлена своим цветом. Это настраивает карту соматосенсорной коры.

Справа на следующем рисунке показаны специфические реакции стимулов, полученные с помощью многоканальных графеновых электродов, которые были размещены на поверхности коры головного мозга. Каждая цветная рамка представляет собой ответы, которые различные части тела имели на 30 каналах. На рисунке выше представлены LFP, обнаруженные на поверхности соматосенсорной коры с помощью графеновых электродных решеток.

Цветовая полоса показывает, что большая амплитуда представлена более темным оттенком цвета, и каждый цвет представляет отдельную часть тела. На рисунке изгибайте амплитуду в зависимости от оттенков в цветовой полосе. Этот гомункулус грызуна был создан с использованием результатов, которые только что были объяснены.

Чем больше амплитуда определенной части тела, тем больше она будет изображена на гомонкулусе. На рисунке ниже представлены отдельные данные LFP, собранные с каждой части тела. Он представляет собой различные амплитуды LFP, обнаруженных на основе цветовой полосы.

Существует несколько мер предосторожности для этой процедуры. При удалении спинномозговой жидкости экспериментатор должен быть осторожен, чтобы не прикоснуться к стволу головного мозга или спинному мозгу. Этот шаг требует практики.

Усы грызунов достаточно развиты, чтобы чувствовать направление отклонения, интенсивность раздражителя и расположение стимулируемого уса. Вот почему усы должны стимулироваться в постоянном направлении и интенсивности для этого протокола. Другие части тела также должны постоянно стимулироваться.

Ограничением этого протокола является то, что сигналы, вызванные глубокими структурами мозга, не могут быть записаны, так как графеновая электродная решетка установлена на поверхности коры головного мозга. Таким образом, экспериментатор не может определить, как иерархически организована столбчатая сеть относительно нейронных реакций. Тем не менее, этот протокол может быть применен в дальнейшем, если экспериментатор изменит несколько областей, в которых размещены электродные решетки.

Например, если экспериментатор помещает электрод в слуховую или зрительную кору головного мозга для извлечения слуховой и визуальной информации, он может получить слуховые или зрительные карты. Также этот протокол может быть распространен на хроническую имплантацию графеновой многоэлектродной решетки.