Method Article

Grafen Elektrot Dizisi Kullanarak Beyin Haritalama

DOI:

10.3791/64910

⸱

October 20th, 2023

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

* These authors contributed equally

In This Article

Summary

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

İnvazivliği azaltmak ve uzay-zamansal çözünürlüğü iyileştirmek için grafen dizisi tabanlı bir beyin haritalama prosedürü sunuyoruz. Grafen dizisi tabanlı yüzey elektrotları, kıvrımlı bir beyinde uzun vadeli biyouyumluluk, mekanik esneklik ve beyin haritalaması için uygunluk sergiler. Bu protokol, aynı anda ve sırayla birden fazla duyusal harita biçiminin oluşturulmasına izin verir.

Abstract

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

Kortikal haritalar, serebral korteksteki sensorimotor uyaranlara konuma bağlı sinirsel tepkilerin uzamsal organizasyonunu temsil eder ve fizyolojik olarak ilgili davranışların tahmin edilmesini sağlar. Kortikal haritaların elde edilmesinde penetran elektrotlar, elektroensefalografi, pozitron emisyon tomografisi, manyetoensefalografi ve fonksiyonel manyetik rezonans görüntüleme gibi çeşitli yöntemler kullanılmıştır. Bununla birlikte, bu yöntemler zayıf uzay-zamansal çözünürlük, düşük sinyal-gürültü oranı (SNR), yüksek maliyetler ve biyouyumsuzluk ile sınırlıdır veya beyinde fiziksel hasara neden olur. Bu çalışma, elektrokortikografinin bir özelliği olarak, üstün biyouyumluluk, yüksek uzay-zamansal çözünürlük, arzu edilen SNR ve en aza indirilmiş doku hasarı sunan ve önceki yöntemlerin dezavantajlarının üstesinden gelen grafen dizisi tabanlı bir somatosensoriyel haritalama yöntemi önermektedir. Bu çalışma, sıçanlarda somatosensoriyel haritalama için bir grafen elektrot dizisinin fizibilitesini göstermiştir. Sunulan protokol sadece somatosensoriyel kortekse değil, aynı zamanda işitsel, görsel ve motor korteks gibi diğer kortekslere de uygulanabilir ve klinik uygulama için ileri teknoloji sağlar.

Introduction

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

Kortikal harita, serebral korteksteki sensorimotor uyaranlara yanıt özelliklerini temsil eden bir dizi yerel yamadır. Sinir ağlarının uzamsal bir oluşumudur ve algı ve biliş için tahmin sağlarlar. Bu nedenle, kortikal haritalar, dış uyaranlara verilen sinirsel tepkilerin değerlendirilmesinde ve sensorimotor bilgilerin işlenmesindeyararlıdır 1,2,3,4. Kortikal haritalama için invaziv ve noninvaziv yöntemler mevcuttur. En yaygın invaziv yöntemlerden biri, 5,6,7,8'i haritalamak için intrakortikal (veya penetran) elektrotların kullanılmasını içerir.

Penetran elektrotlar kullanarak isteğe bağlı yüksek çözünürlüklü kortikal haritaların değerlendirilmesi çeşitli engellerle karşı karşıya kalmıştır. Yöntem, düzgün bir harita elde etmek için çok zahmetlidir ve klinik kullanım için uygulanamayacak kadar invazivdir, bu da daha fazla gelişmeyi yasaklar. Elektroensefalografi (EEG), pozitron emisyon tomografisi (PET), manyetoensefalografi (MEG) ve fonksiyonel manyetik rezonans görüntüleme (fMRI) gibi daha yeni teknolojiler, daha az invaziv ve tekrarlanabilir oldukları için popülerlik kazanmıştır. Bununla birlikte, engelleyici maliyetleri ve zayıf çözünürlükleri göz önüne alındığında, sınırlı sayıda durumda kullanılırlar 9,10,11. Son zamanlarda, üstün sinyal güvenilirliğine sahip esnek yüzey elektrotları büyük ilgi görmüştür. Grafen bazlı yüzey elektrotları, kıvrımlı bir beyindekararlı kayıtlar sağlayarak uzun vadeli biyouyumluluk ve mekanik esneklik gösterir 12,13,14,15,16. Grubumuz yakın zamanda kortikal yüzeyde yüksek çözünürlüklü kayıt ve bölgeye özgü nörostimülasyon için grafen tabanlı çok kanallı bir dizi geliştirmiştir. Bu teknoloji, duyusal bilginin kortikal temsillerini uzun süre takip etmemizi sağlar.

Bu makale, 30 kanallı bir grafen multielektrot dizisi kullanarak somatosensoriyel korteksin beyin haritasını elde etmeyle ilgili adımları açıklamaktadır. Beyin aktivitesini ölçmek için korteksin subdural bölgesine bir grafen elektrot dizisi yerleştirilirken, ön ayak, ön ayak, arka pençe, arka bacak, gövde ve bıyıklar tahta bir çubukla uyarılır. Somatosensoriyel alanlar için somatosensoriyel uyarılmış potansiyeller (SEP'ler) kaydedilir. Bu protokol işitsel, görsel ve motor korteks gibi diğer beyin bölgelerine de uygulanabilir.

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

Protocol

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

Tüm hayvan işleme prosedürleri, Incheon Ulusal Üniversitesi Kurumsal Hayvan Bakımı ve Kullanımı Komitesi (INU-ANIM-2017-08) tarafından onaylanmıştır.

1. Ameliyat için hayvan hazırlığı

NOT: Bu deney için cinsiyet yanlılığı olmadan Sprague Dawley Rat'ı (8-10 haftalık) kullanın.

  1. Sıçan intraperitoneal olarak 90 mg / kg ketamin ve 10 mg / kg ksilazin kokteyli ile uyuşturulur. Ameliyat boyunca istenen anestezi derinliğini korumak için, sıçan uyanma belirtileri gösterdiğinde ek olarak 45 mg/kg ketamin ve 5 mg/kg ksilazin kokteyli sağlayın.
  2. Sıçanın derin anestezi altında olduğunu doğrulayın ve ayak parmağı tutam, kuyruk kıstırma ve kornea refleksi gibi vücut yansımalarını düzenli olarak kontrol edin.
  3. Bir düzeltici kullanarak gözler arasındaki kürkü ve kulakların arkasını tıraş edin.
  4. Kurumasını önlemek için gözlere oftalmik bir merhem sürün.

2. Kortikal yüzey maruziyeti cerrahisi

  1. Sıçan kafasını stereotaksik bir adaptörle stereotaksik aparata sabitleyin. Ameliyat sırasında vücut ısısını 37 °C'de tutmak için, fareyi sıcaklık kontrollü bir ısıtma yastığına yerleştirin.
  2. Tıraşlı bölgeyi üç kez değişen alkol ve povidon-iyot fırçalarıyla sterilize edin.
  3. Saç derisini sıkıca kavramak için forseps kullanın ve ameliyat bölgesinde lokal anesteziyi indüklemek için bir şırınga ile doğrudan kafa derisine 0.1 mL lidokain (% 2) enjekte edin.
  4. Bir neşter ile 2-3 cm uzunluğunda bir orta hat kesisi yapın ve kafatasını ortaya çıkarmak için kafa derisini ayırın.
  5. Kafatasını ortaya çıkarmak için kafa derisini sivrisinek forseps ile sıkıştırın.
  6. Periosteumu çıkarmak için kafatasının yüzeyini forseps ile çizin.
  7. Künt, omuriliğin tepesindeki eksenin üzerindeki cisterna magna'yı ortaya çıkarmak için oksipital kafatası üzerindeki kasları inceleyin.
  8. Beyin omurilik sıvısını boşaltmak için cisterna magna'yı bıçakla kesin ve beyin ödemini önlemek ve iltihabı en aza indirmek için beyin omurilik sıvısını sürekli emmek için cisterna magna'nın kesisine steril bir gazlı bez koyun.
  9. Bir kalem kullanarak, kafatası üzerinde anteroposterior eksende 3 mm ve sağ hemisferin bregmasından sağ yanal yönde 6 mm ölçülerinde dikdörtgen bir pencere işaretleyin.
    NOT: Üstün sagital sinüs rüptürünü önlemek için işaretleme orta hattan 1 mm'lik bir mesafeyi güvence altına almalıdır.
  10. İşaretli alanı stereotaksik koordinata göre delin ve kafatasını bir kemik rongeur ile çıkarın.
  11. Dura mater'i çıkarmak için 26 G iğnenin ucunu 90° bükün, dura mater'de bir delik açın, dura mater'i kaldırın, bu deliğe forseps yerleştirin ve forseps ile yırtın.
  12. Kurumasını önlemek için somatosensoriyel korteksin üzerine tuzlu suyla ıslatılmış gazlı bez yerleştirin.

3. Kayıt sistemine bağlı grafen elektrot dizisinin hazırlanması

  1. Omnetics konektörlü bir grafen elektrot dizisi hazırlayın.
    1. Salin solüsyonunu uygulayarak grafen çoklu elektrot dizisini hasara neden olmadan ayırın.
    2. Referans ve topraklama kablolarının dış kaplamasını konektörden çıkarın.
  2. Grafen elektrot dizisi ile kafa aşamasını konektöre bağlayın.
  3. Kafa aşamasına bağlı arabirim kablosunu kayıt sistemine takın.
  4. Grafen elektrot dizisi kompleksini stereotaksik kola sabitleyin.
  5. Tüm kanallardan gelen nöral sinyalleri yakalamak için, önceden belirlenmiş stereotaksik koordinatları takip ederek diziyi herhangi bir bükülme olmadan somatosensoriyel korteks üzerine konumlandırın.
  6. Oksipital kemiğin arkasındaki dokunun altına bir referans kablosu yerleştirin ve topraklama kablosunu topraklanmış optik masaya bağlayın.

4. Haritalama için fiziksel stimülasyon ve SEP'lerin kaydedilmesi

  1. Nöral sinyal kayıt yazılımını açın.
  2. Kayıt yazılımı ortamını ayarlayın: (1) güç hattındaki gürültüyü gidermek için SEP'ler ve çentik filtresi (60 veya 50 Hz, ev tipi elektrik gücü frekansı) için örnekleme hızını ayarlayın.
  3. Bıyık haritalaması için bıyığı ince bir çubukla bükün.
  4. Vücut haritalaması için ön papa, ön ayak, arka pençe, arka bacak ve gövdeyi tahta bir çubukla sürekli olarak dürtün.
  5. Belirtilen süre boyunca veri toplama sistemindeki sinirsel sinyalleri kaydedin.

5. Hayvan ötenazisi

  1. Tüm kayıt işlemlerinden sonra,% >5 izofluran kullanarak sıçanları anestezi ile feda edin ve servikal diseksiyon yapın.

6. Kortikal haritalama için SEP ölçümü

  1. Sinyal analizi için read_Intan_RHS2000_file.m kod adlı MATLAB'ı açın.
    NOT: read_Intan_RHS2000_file.m "https://intantech.com/downloads.html?tabSelect=Software" adresinden indirilebilir.
  2. Çalıştır düğmesine tıklayın, ".rhs" dosya adı uzantısına sahip kayıt dosyasını seçin ve dosyanın işlenmesini ve okunmasını bekleyin.
  3. Kayıt verilerinin 2B çizgi grafiğini oluşturmak, SEP'leri bulmak ve tüm kanallardaki SEP'lerin genliğini hesaplamak için "plot (t, amplifier_data("kanal numarası",:))" komutunu girin.
    NOT: "Kanal numarası" alanına kanal numarasını girin. Örneğin, "plot(t, amplifier_data(1,:))" kanal 1'in 2B çizgi grafiğini oluşturur. Ek olarak, deneyci yanıtın genliğini hesaplarken, her kanaldan kaydedilen yanıtı seçin.
  4. SEP'lerin genliğine göre ızgarayı farklı bir tonla renklendirerek veri elde edin.
    NOT: MATLAB komutu "imagesc", topografik haritanın daha hızlı elde edilmesine yardımcı olur.

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

Results

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

Bu protokol, grafen çok kanallı bir dizinin beynin yüzeyine nasıl monte edildiğini açıklar. Somatosensoriyel harita, fiziksel uyaranlara nöral yanıtlar alınarak ve yanıtın genliği hesaplanarak oluşturulmuştur. Şekil 1'de bu deneyin şeması gösterilmektedir.

Şekil 2A , bir grafen elektrot dizisinin yapısal özelliklerini sunar. Elektrotlar arasında alt tabakanın delikleri vardır. Bu delikler elektrotun kortikal yüzeye sıkıca temas etmesi...

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

Discussion

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

Sunulan protokol, bir grafen elektrot dizisi kullanarak sıçanların somatosensoriyel tepkilerine nasıl erişileceğini ve haritalanacağını açıklayan derinlemesine, adım adım bir süreç sağlar. Protokolle elde edilen veriler, her bir vücut parçasına sinaptik olarak bağlı somatosensoriyel bilgi sağlayan SEP'lerdir.

Bu protokolün çeşitli yönleri dikkate alınmalıdır. Beyin ödemini önlemek ve iltihabı hafifletmek için beyin omurilik sıvısı çıkarılırken, deneycinin cisterna magna'nın önünde bulunan beyi...

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

Disclosures

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

Açıklayacak hiçbir şeyimiz yok.

Acknowledgements

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

Bu çalışma, Sunggu Yang için Incheon Ulusal Üniversitesi (Uluslararası Kooperatif) tarafından desteklenmiştir.

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

Materials

List of materials used in this article
NameCompanyCatalog NumberComments
1 mL şırıngaKOREAVACCINE CORPORATIONanestezi için ilacı enjekte ediyor 
3 mL şırıngaKOREAVACCINE CORPORATIONanestezi için ilacı enjekte ediyor 
Bone rongeurGüzel Bilim Araçları16220-14kafatası konektörünü çıkarın
GbrainGrafen elektrodu sahne
matkabınaFALCON aracıkafatası matkap
uçlarınıOsstem implantkafatasını öğütmek
Graefe iris forseps hafif kavisli tırtıklıvubuvudu-02-73010dokuyu çıkarın kafatasından veya tutma sileceğinden
grafen multielektrot dizisindenGbrain, nöron izofluranından gelen sinyalleri kaydeder
Hana Pharm Corporationketamin yuhan şirketini
;lokal anestezik
Matlab R2021bMathworksVeri analizi Yazılım
sivrisinek kanama durdurucularGüzel Bilim Araçları91309-12kafa derisini sabitleyin
merhem Alcongözün kurumasını önler 
povidoneGreen Pharmaceutical şirketiinsizyon alanını dezenfekte ediyor
RHS 32ch Stim/Record headstageintan technologiesM4032konektörü arabirim kablosuna bağlayın ve intan RHS stim/amplifier çipi RHS
6-ft (1,8 m) Stim SPI arabirim kablosuiçerir intan teknolojileriM3206grafen elektrodu ana sahneye bağlayın
RHS Stim/Kayıt kontrol yazılımıintan teknolojileriVeri Toplama Yazılımı
RHS stimülasyonu / Kayıt kontrolörüintan teknolojileriM4200
salinJW İlaç
neşterHammacherHSB 805-03
stereotaksik aletçalmakonuyu tutturmak
steril Hipodermik İğneKOREAVACCINE CORPORATIONdura mater
Steven Iris Doku ForsepsKASCO50-2026dura mater
cerrahi bıçağı çıkarın no.11FEATHERderisini
cerrahi sicssorsGüzel Bilim Araçları14090-09kafa derisini inceleyin ve dura mater
tahta çubukbıyık stimülasyonunu
Anestezi için kullanılanksilazinBayer Kore
bağlayın taşlayın , anestezi lidokain (% 2) için kullanılan feda eder kafa çıkarın çıkarın

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