Summary

Brain Mapping mit einem Graphen-Elektroden-Array

Published: October 20, 2023
doi:

Summary

Wir stellen ein Graphen-Array-basiertes Brain-Mapping-Verfahren vor, um die Invasivität zu reduzieren und die räumlich-zeitliche Auflösung zu verbessern. Graphen-Array-basierte Oberflächenelektroden weisen eine langfristige Biokompatibilität, mechanische Flexibilität und Eignung für die Kartierung des Gehirns in einem gewundenen Gehirn auf. Dieses Protokoll ermöglicht es, mehrere Formen von sensorischen Karten gleichzeitig und sequentiell zu erstellen.

Abstract

Kortikale Karten stellen die räumliche Organisation ortsabhängiger neuronaler Reaktionen auf sensomotorische Reize in der Großhirnrinde dar und ermöglichen die Vorhersage physiologisch relevanter Verhaltensweisen. Verschiedene Methoden wie Durchdringungselektroden, Elektroenzephalographie, Positronen-Emissions-Tomographie, Magnetoenzephalographie und funktionelle Magnetresonanztomographie wurden verwendet, um kortikale Karten zu erhalten. Diese Methoden sind jedoch durch eine schlechte raumzeitliche Auflösung, ein niedriges Signal-Rausch-Verhältnis (SNR), hohe Kosten und mangelnde Biokompatibilität eingeschränkt oder verursachen physische Schäden am Gehirn. Diese Studie schlägt eine Graphen-Array-basierte somatosensorische Mapping-Methode als Merkmal der Elektrokortikographie vor, die eine überlegene Biokompatibilität, eine hohe räumliche und zeitliche Auflösung, ein wünschenswertes SNR und eine minimierte Gewebeschädigung bietet und die Nachteile früherer Methoden überwindet. Diese Studie demonstrierte die Machbarkeit eines Graphen-Elektrodenarrays für die somatosensorische Kartierung bei Ratten. Das vorgestellte Protokoll kann nicht nur auf den somatosensorischen Kortex, sondern auch auf andere Kortexe wie den auditiven, visuellen und motorischen Kortex angewendet werden und bietet eine fortschrittliche Technologie für die klinische Umsetzung.

Introduction

Eine kortikale Karte ist eine Reihe von lokalen Flecken, die Reaktionseigenschaften auf sensomotorische Reize in der Großhirnrinde darstellen. Sie sind eine räumliche Formation neuronaler Netze und ermöglichen Vorhersagen für Wahrnehmung und Kognition. Daher sind kortikale Karten nützlich, um neuronale Reaktionen auf externe Reize zu bewerten und sensomotorische Informationen zu verarbeiten 1,2,3,4. Für die kortikale Kartierung stehen invasive und nicht-invasive Methoden zur Verfügung. Eine der häufigsten invasiven Methoden ist die Verwendung von intrakortikalen (oder penetrierenden) Elektroden für die Kartierung 5,6,7,8.

Die Bewertung der hochauflösenden kortikalen On-Demand-Karten mit durchdringenden Elektroden stieß auf mehrere Hindernisse. Die Methode ist zu aufwendig, um eine anständige Karte zu erhalten, und zu invasiv, um sie für den klinischen Einsatz zu implementieren, was eine weitere Entwicklung verbietet. Neuere Technologien wie Elektroenzephalographie (EEG), Positronen-Emissions-Tomographie (PET), Magnetoenzephalographie (MEG) und funktionelle Magnetresonanztomographie (fMRT) haben an Popularität gewonnen, da diese weniger invasiv und reproduzierbar sind. Aufgrund ihrer unerschwinglichen Kosten und ihrer schlechten Auflösung werden sie jedoch in einer begrenzten Anzahl von Fällen verwendet 9,10,11. In jüngster Zeit haben flexible Oberflächenelektroden mit überlegener Signalzuverlässigkeit große Aufmerksamkeit erregt. Oberflächenelektroden auf Graphenbasis zeigen langfristige Biokompatibilität und mechanische Flexibilität und liefern stabile Aufzeichnungen in einem verschlungenen Gehirn 12,13,14,15,16. Unsere Gruppe hat kürzlich ein Graphen-basiertes Mehrkanal-Array für hochauflösende Aufzeichnungen und ortsspezifische Neurostimulation auf der kortikalen Oberfläche entwickelt. Diese Technologie ermöglicht es uns, die kortikalen Repräsentationen sensorischer Informationen über einen längeren Zeitraum zu verfolgen.

In diesem Artikel werden die Schritte beschrieben, die erforderlich sind, um eine Gehirnkarte des somatosensorischen Kortex mit einem 30-Kanal-Graphen-Multielektroden-Array zu erstellen. Um die Gehirnaktivität zu messen, wird ein Graphen-Elektroden-Array auf den subduralen Bereich des Kortex gelegt, während Vorderpfote, Vordergliedmaße, Hinterpfote, Hintergliedmaße, Rumpf und Schnurrhaare mit einem Holzstab stimuliert werden. Die somatosensorisch-evozierten Potentiale (SEPs) werden für somatosensorische Areale erfasst. Dieses Protokoll kann auch auf andere Gehirnbereiche angewendet werden, wie z. B. den auditiven, visuellen und motorischen Kortex.

Protocol

Alle Verfahren zum Umgang mit Tieren wurden vom Institutional Animal Care and Use Committee der Incheon National University genehmigt (INU-ANIM-2017-08). 1. Vorbereitung des Tieres auf die Operation HINWEIS: Verwenden Sie für dieses Experiment Sprague Dawley Rat (8-10 Wochen alt) ohne geschlechtsspezifische Voreingenommenheit. Betäuben Sie die Ratte mit 90 mg/kg Ketamin und 10 mg/kg Xylazin-Cocktail intraperitoneal. Um die gewünschte An…

Representative Results

Dieses Protokoll beschreibt, wie ein Graphen-Mehrkanal-Array auf der Oberfläche des Gehirns montiert wird. Die somatosensorische Karte wurde erstellt, indem neuronale Reaktionen auf physikalische Reize erfasst und die Amplitude der Reaktion berechnet wurden. Abbildung 1 zeigt das Schema dieses Experiments. Abbildung 2A zeigt die strukturellen Eigenschaften eines Graphen-Elektrodenarrays. Zwischen den Elektroden befinden sich Durchgan…

Discussion

Das vorgestellte Protokoll bietet einen detaillierten, schrittweisen Prozess, der erklärt, wie man mit einem Graphen-Elektroden-Array auf die somatosensorischen Reaktionen von Ratten zugreifen und sie abbilden kann. Bei den protokollerfassten Daten handelt es sich um SEPs, die somatosensorische Informationen liefern, die synaptisch mit jedem Körperteil verknüpft sind.

Mehrere Aspekte dieses Protokolls sollten berücksichtigt werden. Bei der Entnahme von Liquor cerebrospinalis zur Vorbeugung…

Disclosures

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

Diese Arbeit wurde von der Incheon National University (International Cooperative) für Sunggu Yang unterstützt.

Materials

1mL syringe KOREAVACCINE CORPORATION injecting the drug for anesthesia 
3mL syringe KOREAVACCINE CORPORATION injecting the drug for anesthesia 
Bone rongeur Fine Science Tools 16220-14 remove the skull
connector Gbrain Connect graphene electrode to headstage
drill FALCON tool grind the skull
drill bits Osstem implant grind the skull
Graefe iris forceps slightly curved serrated vubu vudu-02-73010 remove the tissue from the skull or hold wiper
graphene multielectrode array Gbrain records signals from neuron
isoflurane Hana Pharm Corporation sacrifce the subject
ketamine yuhan corporation used for anesthesia
lidocaine(2%) Daihan pharmaceutical  local anesthetic
Matlab R2021b Mathworks Data analysis Software
mosquito hemostats Fine Science Tools 91309-12 fasten the scalp
ointment Alcon prevent eye from drying out 
povidone Green Pharmaceutical corporation disinfect the incision area
RHS 32ch Stim/Record headstage intan technologies M4032 connect connector to interface cable and contain intan RHS stim/amplifier chip
RHS 6-ft (1.8m) Stim SPI interface cable intan technologies M3206 connect graphene electrode to headstage
RHS Stim/Recording controller software intan technologies Data Acquisition Software
RHS stimulation/ Recording controller intan technologies M4200
saline JW Pharmaceutical
scalpel Hammacher HSB 805-03
stereotaxic instrument stoelting fasten the subject
sterile Hypodermic Needle KOREAVACCINE CORPORATION remove the dura mater
Steven Iris Tissue Forceps KASCO 50-2026 remove the dura mater
surgical blade no.11 FEATHER inscise the scalp
surgical sicssors Fine Science Tools 14090-09 inscise the scalp and remove the dura mater
wooden stick whisker stimulation
xylazine Bayer Korea used for anesthesia

References

  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).

Play Video

Cite This Article
Kim, D., Jeong, M., Kim, E., Kim, G., Na, J., Yang, S. Brain Mapping Using a Graphene Electrode Array. J. Vis. Exp. (200), e64910, doi:10.3791/64910 (2023).

View Video