Mapeamento Cerebral Usando um Arranjo de Eletrodos de Grafeno
Summary
Apresentamos um procedimento de mapeamento cerebral baseado em arranjo de grafeno para reduzir a invasividade e melhorar a resolução espaço-temporal. Eletrodos de superfície baseados em arranjo de grafeno exibem biocompatibilidade de longo prazo, flexibilidade mecânica e adequação para mapeamento cerebral em um cérebro complicado. Este protocolo permite a construção simultânea e sequencial de múltiplas formas de mapas sensoriais.
Abstract
Os mapas corticais representam a organização espacial das respostas neurais dependentes da localização a estímulos sensório-motores no córtex cerebral, permitindo a predição de comportamentos fisiologicamente relevantes. Vários métodos, como eletrodos penetrantes, eletroencefalografia, tomografia por emissão de pósitrons, magnetoencefalografia e ressonância magnética funcional, têm sido utilizados para a obtenção de mapas corticais. No entanto, esses métodos são limitados por baixa resolução espaço-temporal, baixa relação sinal-ruído (SNR), altos custos e não biocompatibilidade ou causam danos físicos ao cérebro. Este estudo propõe um método de mapeamento somatossensorial baseado em arranjo de grafeno como uma característica da eletrocorticografia que oferece biocompatibilidade superior, alta resolução espaço-temporal, SNR desejável e dano tecidual minimizado, superando as desvantagens dos métodos anteriores. Este estudo demonstrou a viabilidade de um arranjo de eletrodos de grafeno para mapeamento somatossensorial em ratos. O protocolo apresentado pode ser aplicado não apenas ao córtex somatossensorial, mas também a outros córtices, como o córtex auditivo, visual e motor, fornecendo tecnologia avançada para implementação clínica.
Introduction
Um mapa cortical é um conjunto de manchas locais que representam propriedades de resposta a estímulos sensório-motores no córtex cerebral. Eles são uma formação espacial de redes neurais e permitem a previsão para percepção e cognição. Portanto, mapas corticais são úteis na avaliação de respostas neurais a estímulos externos e no processamento de informações sensório-motoras1,2,3,4. Métodos invasivos e não invasivos estão disponíveis para mapeamento cortical. Um dos métodos invasivos mais comuns envolve o uso de eletrodos intracorticais (ou penetrantes) para mapeamento 5,6,7,8.
A avaliação de mapas corticais de alta resolução sob demanda usando eletrodos penetrantes tem enfrentado vários obstáculos. O método é muito trabalhoso para obter um mapa decente e muito invasivo para ser implementado para uso clínico, proibindo o desenvolvimento posterior. Tecnologias mais recentes, como eletroencefalografia (EEG), tomografia por emissão de pósitrons (PET), magnetoencefalografia (MEG) e ressonância magnética funcional (fMRI), têm ganhado popularidade por serem menos invasivas e reprodutíveis. No entanto, devido aos seus custos proibitivos e baixa resolução, são utilizados em um número limitado de casos 9,10,11. Recentemente, eletrodos de superfície flexíveis com confiabilidade de sinal superior têm atraído considerável atenção. Eletrodos de superfície à base de grafeno demonstram biocompatibilidade e flexibilidade mecânica a longo prazo, proporcionando registros estáveis em um cérebro complicado 12,13,14,15,16. Nosso grupo desenvolveu recentemente uma matriz multicanal baseada em grafeno para gravação de alta resolução e neuroestimulação sítio-específica na superfície cortical. Essa tecnologia nos permite acompanhar as representações corticais das informações sensoriais por um longo período.
Este artigo descreve as etapas envolvidas na aquisição de um mapa cerebral do córtex somatossensorial usando um arranjo multieletrodo de grafeno de 30 canais. Para medir a atividade cerebral, um arranjo de eletrodos de grafeno é colocado na área subdural do córtex, enquanto a pata ante, o membro anterior, a pata traseira, o membro posterior, o tronco e os bigodes são estimulados com uma vara de madeira. Os potenciais evocados somatossensoriais (PESs) são registrados para áreas somatossensoriais. Esse protocolo também pode ser aplicado a outras áreas cerebrais, como o córtex auditivo, visual e motor.
Protocol
Representative Results
Discussion
O protocolo apresentado fornece um processo detalhado e passo a passo que explica como acessar e mapear as respostas somatossensoriais de ratos usando um arranjo de eletrodos de grafeno. Os dados adquiridos pelo protocolo são SEPs que fornecem informações somatossensoriais que estão sinapticamente ligadas a cada parte do corpo.
Vários aspectos desse protocolo devem ser considerados. Ao extrair o líquido cefalorraquidiano para prevenir o edema cerebral e atenuar a inflamação, é crucial…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Este trabalho foi apoiado pela Universidade Nacional de Incheon (Cooperativa Internacional) para Sunggu Yang.
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
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