מיפוי מוח באמצעות מערך אלקטרודות גרפן
Summary
אנו מציגים הליך מיפוי מוח מבוסס מערך גרפן כדי להפחית את הפולשנות ולשפר את הרזולוציה המרחבית-זמנית. אלקטרודות משטח מבוססות מערך גרפן מציגות תאימות ביולוגית ארוכת טווח, גמישות מכנית והתאמה למיפוי מוח במוח מפותל . פרוטוקול זה מאפשר לבנות צורות מרובות של מפות חושיות בו זמנית וברצף.
Abstract
מפות קורטיקליות מייצגות את הארגון המרחבי של תגובות עצביות תלויות מיקום לגירויים סנסומוטוריים בקליפת המוח, ומאפשרות חיזוי של התנהגויות רלוונטיות מבחינה פיזיולוגית. שיטות שונות, כגון אלקטרודות חודרות, אלקטרואנצפלוגרפיה, טומוגרפיה של פליטת פוזיטרונים, מגנטואנצפלוגרפיה והדמיית תהודה מגנטית תפקודית, שימשו להשגת מפות קליפת המוח. עם זאת, שיטות אלה מוגבלות על ידי רזולוציה מרחבית-זמנית ירודה, יחס אות לרעש נמוך (SNR), עלויות גבוהות ואי-תאימות ביולוגית או גורמות נזק פיזי למוח. מחקר זה מציע שיטת מיפוי סומטוסנסורי מבוססת מערך גרפן כתכונה של אלקטרוקורטיקוגרפיה המציעה תאימות ביולוגית מעולה, רזולוציה מרחבית-זמנית גבוהה, SNR רצוי ונזק מינימלי לרקמות, תוך התגברות על החסרונות של שיטות קודמות. מחקר זה הדגים את ההיתכנות של מערך אלקטרודות גרפן למיפוי סומטוסנסורי בחולדות. הפרוטוקול המוצג יכול להיות מיושם לא רק על קליפת המוח הסומטוסנסורית, אלא גם על קליפות אחרות כגון קליפת המוח השמיעתית, הראייתית והמוטורית, ומספק טכנולוגיה מתקדמת ליישום קליני.
Introduction
מפה קורטיקלית היא קבוצה של טלאים מקומיים המייצגים תכונות תגובה לגירויים סנסומוטוריים בקליפת המוח. הם היווצרות מרחבית של רשתות עצביות ומאפשרים חיזוי של תפיסה וקוגניציה. לכן, מפות קליפת המוח שימושיות בהערכת תגובות עצביות לגירויים חיצוניים ובעיבוד מידע סנסומוטורי 1,2,3,4. קיימות שיטות פולשניות ולא פולשניות למיפוי קליפת המוח. אחת השיטות הפולשניות הנפוצות ביותר כוללת שימוש באלקטרודות תוך קורטיקליות (או חודרות) למיפוי 5,6,7,8.
הערכת מפות קליפת המוח ברזולוציה גבוהה לפי דרישה באמצעות אלקטרודות חודרות נתקלה במספר מכשולים. השיטה מייגעת מכדי להשיג מפה הגונה ופולשנית מדי ליישום לשימוש קליני, ואוסרת על פיתוח נוסף. טכנולוגיות עדכניות יותר כגון אלקטרואנצפלוגרפיה (EEG), טומוגרפיית פליטת פוזיטרונים (PET), מגנטואנצפלוגרפיה (MEG) ודימות תהודה מגנטית תפקודי (fMRI) צברו פופולריות מכיוון שהן פחות פולשניות וניתנות לשחזור. עם זאת, בהתחשב בעלויות הגבוהות שלהם וברזולוציה גרועה, הם משמשים במספר מוגבל של מקרים 9,10,11. לאחרונה, אלקטרודות משטח גמישות עם אמינות אות מעולה משכו תשומת לב רבה. אלקטרודות משטח מבוססות גרפן מדגימות תאימות ביולוגית ארוכת טווח וגמישות מכנית, ומספקות הקלטות יציבות במוח מפותל 12,13,14,15,16. הקבוצה שלנו פיתחה לאחרונה מערך רב-ערוצי מבוסס גרפן להקלטה ברזולוציה גבוהה וגירוי עצבי ספציפי לאתר על פני קליפת המוח. טכנולוגיה זו מאפשרת לנו לעקוב אחר ייצוגים קליפת המוח של מידע חושי במשך תקופה ממושכת.
מאמר זה מתאר את השלבים הכרוכים ברכישת מפה מוחית של קליפת המוח הסומטוסנסורית באמצעות מערך רב-אלקטרודות גרפן בן 30 ערוצים. כדי למדוד את פעילות המוח, מערך אלקטרודות גרפן ממוקם על האזור התת-דוראלי של קליפת המוח, בעוד שהכף הקדמית, הגפה הקדמית, הכף האחורית, הגפה האחורית, תא המטען והשפם מגורים באמצעות מקל עץ. הפוטנציאלים הסומטוסנסוריים-מעוררים (SEPs) נרשמים עבור אזורים סומטוסנסוריים. פרוטוקול זה יכול להיות מיושם גם על אזורים אחרים במוח, כגון קליפת המוח השמיעתית, הראייתית והמוטורית.
Protocol
Representative Results
Discussion
הפרוטוקול המוצג מספק תהליך מעמיק, שלב אחר שלב, המסביר כיצד לגשת ולמפות את התגובות הסומטוסנסוריות של חולדות באמצעות מערך אלקטרודות גרפן. הנתונים שנרכשו בפרוטוקול הם SEPs המספקים מידע סומטוסנסורי המקושר באופן סינפטי לכל חלק בגוף.
יש לשקול מספר היבטים של פרוטוקול זה. בעת שאיבת ?…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
עבודה זו נתמכה על ידי האוניברסיטה הלאומית אינצ’און (קואופרטיב בינלאומי) עבור סונגו יאנג.
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
- 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).
- 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).
- 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).
- Lee, M., et al. Graphene-electrode array for brain map remodeling of the cortical surface. NPG Asia Materials. 13 (1), (2021).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- Beniczky, S., Schomer, D. L. Electroencephalography: basic biophysical and technological aspects important for clinical applications. Epileptic Disorders. 22 (6), 697-715 (2020).
- Kim, S. G., Richter, W., Uğurbil, K. Limitations of temporal resolution in functional MRI. Magnetic Resonance Medicine. 37 (4), 631-636 (1997).
- 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).
- 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).
- Masvidal-Codina, E., et al. High-resolution mapping of infraslow cortical brain activity enabled by graphene microtransistors. Nature Materials. 18 (3), 280-288 (2019).
- Blaschke, B. M., et al. Mapping brain activity with flexible graphene micro-transistors. 2D Materials. 4 (2), 025040 (2017).
- Park, S. W., et al. Epidural electrotherapy for epilepsy. Small. 14 (30), 1801732 (2018).
- 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).
- 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).
- Tchoe, Y., et al. Human brain mapping with multithousand-channel PtNRGrids resolves spatiotemporal dynamics. Science Translational Medicine. 14 (628), (2022).
- Wilent, W. B., Contreras, D. Dynamics of excitation and inhibition underlying stimulus selectivity in rat somatosensory cortex. Nature Neuroscience. 8 (10), 1364-1370 (2005).
- 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).
