Cartographie cérébrale à l’aide d’un réseau d’électrodes en graphène
Summary
Nous présentons une procédure de cartographie cérébrale basée sur des réseaux de graphène pour réduire le caractère invasif et améliorer la résolution spatio-temporelle. Les électrodes de surface à base de graphène présentent une biocompatibilité à long terme, une flexibilité mécanique et une aptitude à la cartographie cérébrale dans un cerveau alambiqué. Ce protocole permet de construire plusieurs formes de cartes sensorielles simultanément et séquentiellement.
Abstract
Les cartes corticales représentent l’organisation spatiale des réponses neuronales dépendantes de l’emplacement aux stimuli sensorimoteurs dans le cortex cérébral, permettant la prédiction de comportements physiologiquement pertinents. Diverses méthodes, telles que les électrodes pénétrantes, l’électroencéphalographie, la tomographie par émission de positons, la magnétoencéphalographie et l’imagerie par résonance magnétique fonctionnelle, ont été utilisées pour obtenir des cartes corticales. Cependant, ces méthodes sont limitées par une faible résolution spatio-temporelle, un faible rapport signal/bruit (SNR), des coûts élevés et la non-biocompatibilité ou causent des dommages physiques au cerveau. Cette étude propose une méthode de cartographie somatosensorielle basée sur des réseaux de graphène en tant que caractéristique de l’électrocorticographie qui offre une biocompatibilité supérieure, une résolution spatio-temporelle élevée, un rapport signal/bruit souhaitable et des lésions tissulaires minimisées, surmontant ainsi les inconvénients des méthodes précédentes. Cette étude a démontré la faisabilité d’un réseau d’électrodes en graphène pour la cartographie somatosensorielle chez le rat. Le protocole présenté peut être appliqué non seulement au cortex somatosensoriel, mais aussi à d’autres cortex tels que le cortex auditif, visuel et moteur, fournissant une technologie de pointe pour la mise en œuvre clinique.
Introduction
Une carte corticale est un ensemble de patchs locaux représentant les propriétés de réponse aux stimuli sensorimoteurs dans le cortex cérébral. Il s’agit d’une formation spatiale de réseaux neuronaux qui permettent de prédire la perception et la cognition. Par conséquent, les cartes corticales sont utiles pour évaluer les réponses neuronales aux stimuli externes et traiter les informations sensorimotrices 1,2,3,4. Des méthodes invasives et non invasives sont disponibles pour la cartographie corticale. L’une des méthodes invasives les plus courantes implique l’utilisation d’électrodes intracorticales (ou pénétrantes) pour cartographier 5,6,7,8.
L’évaluation des cartes corticales à haute résolution à la demande à l’aide d’électrodes pénétrantes s’est heurtée à plusieurs obstacles. La méthode est trop laborieuse pour obtenir une carte décente et trop invasive pour être mise en œuvre pour un usage clinique, ce qui empêche tout développement ultérieur. Des technologies plus récentes telles que l’électroencéphalographie (EEG), la tomographie par émission de positons (TEP), la magnétoencéphalographie (MEG) et l’imagerie par résonance magnétique fonctionnelle (IRMf) ont gagné en popularité parce qu’elles sont moins invasives et reproductibles. Cependant, compte tenu de leurs coûts prohibitifs et de leur faible résolution, ils sont utilisés dans un nombre limité de cas 9,10,11. Récemment, les électrodes de surface flexibles avec une fiabilité de signal supérieure ont attiré une attention considérable. Les électrodes de surface à base de graphène démontrent une biocompatibilité à long terme et une flexibilité mécanique, fournissant des enregistrements stables dans un cerveau alambiqué 12,13,14,15,16. Notre groupe a récemment mis au point un réseau multicanal à base de graphène pour l’enregistrement haute résolution et la neurostimulation spécifique au site sur la surface corticale. Cette technologie nous permet de garder une trace des représentations corticales de l’information sensorielle pendant une période prolongée.
Cet article décrit les étapes de l’acquisition d’une carte cérébrale du cortex somatosensoriel à l’aide d’un réseau multi-électrodes en graphène à 30 canaux. Pour mesurer l’activité cérébrale, un réseau d’électrodes en graphène est placé sur la zone sous-durale du cortex, tandis que la patte avant, le membre antérieur, la patte arrière, le membre postérieur, le tronc et les moustaches sont stimulés avec un bâton en bois. Les potentiels évoqués somatosensoriels (PES) sont enregistrés pour les aires somatosensorielles. Ce protocole peut également être appliqué à d’autres zones du cerveau, telles que le cortex auditif, visuel et moteur.
Protocol
Representative Results
Discussion
Le protocole présenté fournit un processus approfondi, étape par étape, qui explique comment accéder aux réponses somatosensorielles des rats et les cartographier à l’aide d’un réseau d’électrodes en graphène. Les données acquises par le protocole sont des SEP qui fournissent des informations somatosensorielles qui sont synaptiquement liées à chaque partie du corps.
Plusieurs aspects de ce protocole doivent être pris en considération. Lors de l’extraction du liquide cép…
Divulgaciones
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Ce travail a été soutenu par l’Université nationale d’Incheon (coopérative internationale) pour 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 |
Referencias
- 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).
