رسم خرائط الدماغ باستخدام مصفوفة أقطاب الجرافين

Summary

نقدم إجراء رسم خرائط الدماغ القائم على مصفوفة الجرافين لتقليل الغزو وتحسين الدقة الزمانية المكانية. تظهر الأقطاب الكهربائية السطحية القائمة على صفيف الجرافين توافقا حيويا طويل المدى ومرونة ميكانيكية وملاءمة لرسم خرائط الدماغ في الدماغ المعقد. يسمح هذا البروتوكول ببناء أشكال متعددة من الخرائط الحسية في وقت واحد وبالتتابع.

Abstract

تمثل الخرائط القشرية التنظيم المكاني للاستجابات العصبية المعتمدة على الموقع للمنبهات الحسية الحركية في القشرة الدماغية ، مما يتيح التنبؤ بالسلوكيات ذات الصلة من الناحية الفسيولوجية. تم استخدام طرق مختلفة ، مثل الأقطاب الكهربائية المخترقة ، وتخطيط كهربية الدماغ ، والتصوير المقطعي بالإصدار البوزيتروني ، وتصوير الدماغ المغناطيسي ، والتصوير بالرنين المغناطيسي الوظيفي ، للحصول على خرائط قشرية. ومع ذلك ، فإن هذه الطرق محدودة بسبب ضعف الدقة الزمانية المكانية ، وانخفاض نسبة الإشارة إلى الضوضاء (SNR) ، وارتفاع التكاليف ، وعدم التوافق الحيوي أو التسبب في أضرار مادية للدماغ. تقترح هذه الدراسة طريقة رسم الخرائط الحسية الجسدية القائمة على مصفوفة الجرافين كسمة من سمات تخطيط الكهربية التي توفر توافقا حيويا فائقا ، ودقة زمانية مكانية عالية ، ونسبة إشارة إلى الضوضاء مرغوبة ، وتقليل تلف الأنسجة ، والتغلب على عيوب الطرق السابقة. أظهرت هذه الدراسة جدوى مصفوفة أقطاب الجرافين لرسم الخرائط الحسية الجسدية في الفئران. يمكن تطبيق البروتوكول المقدم ليس فقط على القشرة الحسية الجسدية ولكن أيضا على القشرة الأخرى مثل القشرة السمعية والبصرية والحركية ، مما يوفر تقنية متقدمة للتنفيذ السريري.

Introduction

الخريطة القشرية هي مجموعة من البقع المحلية التي تمثل خصائص الاستجابة للمنبهات الحسية الحركية في القشرة الدماغية. إنها تكوين مكاني للشبكات العصبية وتمكن من التنبؤ بالإدراك والإدراك. لذلك ، تعد الخرائط القشرية مفيدة في تقييم الاستجابات العصبية للمنبهات الخارجية ومعالجة المعلومات الحسية^{الحركية 1}،²،^3،4. تتوفر الطرق الغازية وغير الغازية لرسم الخرائط القشرية. تتضمن إحدى الطرق الغازية الأكثر شيوعا استخدام أقطاب كهربائية داخل القشرة (أو مخترقة) لرسم خرائط⁵،⁶،^7،8.

واجه تقييم الخرائط القشرية عالية الدقة عند الطلب باستخدام أنقيب كهربائية مخترقة العديد من العقبات. هذه الطريقة شاقة للغاية للحصول على خريطة لائقة وغازية للغاية بحيث لا يمكن تنفيذها للاستخدام السريري ، مما يحظر المزيد من التطوير. اكتسبت التقنيات الحديثة مثل تخطيط كهربية الدماغ (EEG) والتصوير المقطعي بالإصدار البوزيتروني (PET) وتخطيط الدماغ المغناطيسي (MEG) والتصوير بالرنين المغناطيسي الوظيفي (fMRI) شعبية لأنها أقل توغلا وقابلة للتكرار. ومع ذلك ، نظرا لتكاليفها الباهظة وسوء حلها ، يتم استخدامها في عدد محدود من الحالات^9،10،11. في الآونة الأخيرة ، جذبت الأقطاب الكهربائية السطحية المرنة ذات موثوقية الإشارة الفائقة اهتماما كبيرا. تظهر الأقطاب الكهربائية السطحية القائمة على الجرافين التوافق الحيوي والمرونة الميكانيكية على المدى الطويل ، مما يوفر تسجيلات مستقرة في الدماغ المعقد¹²،13،¹⁴،^15،16. طورت مجموعتنا مؤخرا مصفوفة متعددة القنوات قائمة على الجرافين للتسجيل عالي الدقة والتحفيز العصبي الخاص بالموقع على السطح القشري. تتيح لنا هذه التقنية تتبع التمثيلات القشرية للمعلومات الحسية لفترة طويلة.

توضح هذه المقالة الخطوات المتبعة في الحصول على خريطة دماغية للقشرة الحسية الجسدية باستخدام مجموعة متعددة الأقطاب من الجرافين مكونة من 30 قناة. لقياس نشاط الدماغ ، يتم وضع مجموعة قطب كهربائي من الجرافين على المنطقة تحت الجافية من القشرة ، في حين يتم تحفيز مقدمة القدم ، والأطراف الأمامية ، ومخلب الخلف ، والطرف الخلفي ، والجذع ، والشعيرات بعصا خشبية. يتم تسجيل الإمكانات الحسية الجسدية (SEPs) للمناطق الحسية الجسدية. يمكن أيضا تطبيق هذا البروتوكول على مناطق الدماغ الأخرى ، مثل القشرة السمعية والبصرية والحركية.

Protocol

تمت الموافقة على جميع إجراءات التعامل مع الحيوانات من قبل اللجنة المؤسسية لرعاية واستخدام الحيوانات بجامعة إنتشون الوطنية (INU-ANIM-2017-08).

1. إعداد الحيوان للجراحة

ملاحظة: استخدم Sprague Dawley Rat (8-10 أسابيع) دون التحيز الجنسي لهذه التجربة.

1. تخدير الجرذ ب 90 ملغم/كغ من الكيتامين و10 ملغ/كغ من كوكتيل الزيلازين داخل الصفاق. للحفاظ على عمق التخدير المطلوب طوال الجراحة ، يجب توفير 45 مجم / كجم من الكيتامين و 5 مجم / كجم من كوكتيل الزيلازين عندما يظهر الجرذ علامات الاستيقاظ.
2. تأكد من أن الجرذ يخضع لتخدير عميق وتحقق بانتظام من انعكاسات الجسم مثل قرصة إصبع القدم وقرصة الذيل ومنعكس القرنية.
3. حلق الفراء بين العينين والجزء الخلفي من الأذنين باستخدام أداة تشذيب.
4. ضع مرهما للعيون على العينين لمنعهما من الجفاف.

2. جراحة التعرض للسطح القشري

1. إصلاح رأس الفئران على جهاز التجسيم مع محول مجسم. للحفاظ على درجة حرارة الجسم 37 درجة مئوية أثناء الجراحة ، ضع الجرذ على وسادة تسخين يتم التحكم في درجة حرارتها.
2. تعقيم المنطقة المحلوقة مع الدعك بالتناوب من الكحول واليود البوفيدون ثلاث مرات.
3. استخدم الملقط للإمساك بفروة الرأس بقوة وحقن 0.1 مل من الليدوكائين (2٪) مع حقنة مباشرة في فروة الرأس للحث على التخدير الموضعي في منطقة الجراحة.
4. قم بعمل شق خط الوسط بطول 2-3 سم بمشرط واسحب فروة الرأس لكشف الجمجمة.
5. المشبك فروة الرأس مع ملقط البعوض لفضح الجمجمة.
6. خدش سطح الجمجمة بالملقط لإزالة السمحاق.
7. يقوم بلانت بتشريح العضلات فوق الجمجمة القذالية لكشف الصهريج العظيم فوق المحور الموجود أعلى الحبل الشوكي.
8. شق الصهريج ماجنا بالشفرة لتصريف السائل النخاعي ووضع شاش معقم داخل شق الصهريج الأعظم لامتصاص السائل النخاعي باستمرار لمنع وذمة الدماغ وتقليل الالتهاب.
9. باستخدام قلم رصاص ، ضع علامة على الجمجمة نافذة مستطيلة بقياس 3 مم في المحور الأمامي الخلفي و 6 مم في الاتجاه الجانبي الأيمن من bregma في نصف الكرة الأيمن.
   ملاحظة: يجب أن تؤمن العلامات مسافة 1 مم من خط الوسط لتجنب تمزق الجيوب الأنفية السهمي العلوي.
10. حفر المنطقة المحددة وفقا للإحداثيات المجسمة وإزالة الجمجمة مع rongeur العظام.
11. لإزالة الأم الجافية ، ثني طرف إبرة 26 جم إلى 90 درجة ، وإنشاء ثقب في الأم الجافية ، ورفع الأم الجافية ، وإدخال ملقط في تلك الحفرة ، وتمزيقه بالملقط.
12. ضع شاشا مبللا بالمحلول الملحي على القشرة الحسية الجسدية لمنعه من الجفاف.

3. إعداد صفيف قطب الجرافين المتصل بنظام التسجيل

1. قم بإعداد مجموعة قطب كهربائي من الجرافين باستخدام موصل omnetics.
   1. افصل صفيف الجرافين متعدد الأقطاب دون التسبب في تلف عن طريق تطبيق المحلول الملحي.
   2. قم بإزالة الغطاء الخارجي للأسلاك المرجعية والأرضية من الموصل.
2. قم بتوصيل مرحلة الرأس بصفيف قطب الجرافين بالموصل.
3. قم بتوصيل كبل الواجهة المرتبط بمرحلة الرأس بنظام التسجيل.
4. قم بتثبيت مجمع صفيف قطب الجرافين في الذراع المجسم.
5. لالتقاط الإشارات العصبية من جميع القنوات ، ضع المصفوفة على القشرة الحسية الجسدية دون أي انحناء ، باتباع الإحداثيات المجسمة المحددة مسبقا.
6. ضع سلكا مرجعيا أسفل الأنسجة خلف العظم القذالي وقم بتوصيل السلك الأرضي بالطاولة البصرية المؤرضة.

4. التحفيز البدني وتسجيل SEPs لرسم الخرائط

1. افتح برنامج تسجيل الإشارات العصبية.
2. اضبط بيئة برنامج التسجيل: (1) اضبط معدل أخذ العينات ل SEPs ومرشح الشق (60 أو 50 هرتز ، تردد الطاقة الكهربائية المنزلية) لإزالة الضوضاء من خط الطاقة.
3. لتعيين الشارب ، ثني الشارب بعصا ناعمة.
4. كزة باستمرار forepaw ، forelimb ، مخلب خلفي ، و hindlimb ، والجذع بعصا خشبية لرسم خرائط الجسم.
5. تسجيل الإشارات العصبية في نظام الحصول على البيانات للوقت المحدد.

5. القتل الرحيم للحيوانات

1. بعد كل إجراءات التسجيل ، التضحية بالفئران مع التخدير باستخدام >5 ٪ isoflurane وإجراء تشريح عنق الرحم.

6. قياس SEP لرسم الخرائط القشرية

1. افتح MATLAB الذي يحمل الاسم الرمزي read_Intan_RHS2000_file.m لتحليل الإشارة.
   ملاحظة: يمكن تنزيل read_Intan_RHS2000_file.m من "https://intantech.com/downloads.html?tabSelect=Software".
2. انقر فوق الزر "تشغيل " ، وحدد ملف التسجيل بامتداد اسم الملف ".rhs" ، وانتظر حتى تتم معالجة الملف وقراءته.
3. أدخل الأمر "plot (t ، amplifier_data ("رقم القناة" ، :))" لإنشاء مخطط خط 2D لبيانات التسجيل ، والعثور على SEPs ، وحساب سعة SEPs في جميع القنوات.
   ملاحظة: أدخل رقم القناة في "رقم القناة". على سبيل المثال ، "plot(t، amplifier_data(1,:))" ينشئ مخطط خط 2D للقناة 1. بالإضافة إلى ذلك ، عندما يحسب المجرب سعة الاستجابة ، اختر الاستجابة المسجلة من كل قناة.
4. احصل على البيانات عن طريق تلوين الشبكة بلون مختلف وفقا لسعة SEPs.
   ملاحظة: يساعد الأمر MATLAB "imagesc" في الحصول على خريطة طبوغرافية بسرعة أكبر.

النتائج

يصف هذا البروتوكول كيفية تركيب مصفوفة متعددة القنوات من الجرافين على سطح الدماغ. تم إنشاء الخريطة الحسية الجسدية من خلال اكتساب الاستجابات العصبية للمنبهات الجسدية وحساب سعة الاستجابة. يوضح الشكل 1 مخطط هذه التجربة.

يعرض الشكل 2 أ الخصائص ال...

Discussion

يوفر البروتوكول المقدم عملية متعمقة خطوة بخطوة تشرح كيفية الوصول إلى الاستجابات الحسية الجسدية للفئران ورسم خرائطها باستخدام مجموعة أقطاب الجرافين. البيانات المكتسبة من البروتوكول هي SEPs التي توفر معلومات حسية جسدية مرتبطة بشكل متشابك بكل جزء من أجزاء الجسم.

وينبغي النظر ...

Materials

Name	Company	Catalog Number	Comments
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