Cartographie cérébrale à l’aide d’un réseau d’électrodes en graphène

Résumé

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.

Résumé

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.

Protocole

Toutes les procédures de manipulation des animaux ont été approuvées par le Comité institutionnel de soins et d’utilisation des animaux de l’Université nationale d’Incheon (INU-ANIM-2017-08).

1. Préparation de l’animal à la chirurgie

REMARQUE : Utilisez Sprague Dawley Rat (8-10 semaines) sans biais sexuel pour cette expérience.

1. Anesthésier le rat avec 90 mg/kg de kétamine et 10 mg/kg de xylazine par voie intrapéritonéale. Pour maintenir la profondeur d’anesthésie souhaitée tout au long de la chirurgie, fournir un cocktail supplémentaire de 45 mg/kg de kétamine et de 5 mg/kg de xylazine lorsque le rat montre des signes de réveil.
2. Confirmez que le rat est sous anesthésie profonde et vérifiez régulièrement les réflexions corporelles telles que le pincement des orteils, le pincement de la queue et le réflexe cornéen.
3. Rasez la fourrure entre les yeux et l’arrière des oreilles à l’aide d’une tondeuse.
4. Appliquez une pommade ophtalmique sur les yeux pour éviter qu’ils ne se dessèchent.

2. Chirurgie de l’exposition de la surface corticale

1. Fixez la tête de rat sur l’appareil stéréotaxique à l’aide d’un adaptateur stéréotaxique. Pour maintenir la température corporelle de 37 °C pendant l’opération, placez le rat sur un coussin chauffant à température contrôlée.
2. Stérilisez la zone rasée avec des gommages alternés d’alcool et de povidone iodée trois fois.
3. Utilisez une pince pour saisir fermement le cuir chevelu et injectez 0,1 mL de lidocaïne (2 %) à l’aide d’une seringue directement dans le cuir chevelu pour induire une anesthésie locale dans la zone de chirurgie.
4. Faites une incision médiane de 2 à 3 cm de long avec un scalpel et séparez le cuir chevelu pour exposer le crâne.
5. Serrez le cuir chevelu avec une pince à moustiques pour exposer le crâne.
6. Grattez la surface du crâne avec une pince pour enlever le périoste.
7. Disséquez les muscles au-dessus du crâne occipital pour exposer la citerne magna au-dessus de l’axe sur le dessus de la moelle épinière.
8. Inciser la citerne magna avec la lame pour drainer le liquide céphalorachidien et mettre une gaze stérile à l’intérieur de l’incision de la cisterna magna pour absorber constamment le liquide céphalo-rachidien afin de prévenir l’œdème cérébral et de minimiser l’inflammation.
9. À l’aide d’un crayon, marquez sur le crâne une fenêtre rectangulaire mesurant 3 mm dans l’axe antéropostérieur et 6 mm dans la direction latérale droite à partir du bregma de l’hémisphère droit.
   REMARQUE : Le marquage doit assurer une distance de 1 mm de la ligne médiane pour éviter une rupture supérieure du sinus sagittal.
10. Percez la zone marquée selon les coordonnées stéréotaxiques et retirez le crâne à l’aide d’un rongeur osseux.
11. Pour retirer la dure-mère, pliez la pointe de l’aiguille de 26 G à 90°, créez un trou dans la dure-mère, soulevez la dure-mère, insérez une pince dans ce trou et déchirez-la avec une pince.
12. Placez de la gaze mouillée de solution saline sur le cortex somatosensoriel pour éviter qu’il ne se dessèche.

3. Préparation du réseau d’électrodes en graphène connecté au système d’enregistrement

1. Préparez un réseau d’électrodes en graphène avec un connecteur omnétique.
   1. Détachez le réseau multi-électrodes en graphène sans l’endommager en appliquant la solution saline.
   2. Retirez le revêtement extérieur des fils de référence et de terre du connecteur.
2. Connectez l’étage principal avec le réseau d’électrodes en graphène au connecteur.
3. Branchez le câble d’interface relié à la tête de scène dans le système d’enregistrement.
4. Fixez le complexe de réseau d’électrodes en graphène dans le bras stéréotaxique.
5. Pour capter les signaux neuronaux de tous les canaux, positionnez le réseau sur le cortex somatosensoriel sans aucune flexion, en suivant les coordonnées stéréotaxiques prédéterminées.
6. Placez un fil de référence sous le tissu derrière l’os occipital et connectez le fil de terre à la table optique mise à la terre.

4. Stimulation physique et enregistrement des SEP pour la cartographie

1. Ouvrez le logiciel d’enregistrement des signaux neuronaux.
2. Définissez l’environnement du logiciel d’enregistrement : (1) réglez la fréquence d’échantillonnage des SEP et du filtre coupe-bande (60 ou 50 Hz, une fréquence d’alimentation électrique domestique) pour éliminer le bruit de la ligne électrique.
3. Pour la cartographie des moustaches, pliez la moustache avec un bâton fin.
4. Piquez constamment la patte avant, le membre antérieur, la patte arrière, le membre arrière et le tronc avec un bâton en bois pour la cartographie corporelle.
5. Enregistrez les signaux neuronaux dans le système d’acquisition de données pendant le temps indiqué.

5. Euthanasie animale

1. Après toutes les procédures d’enregistrement, sacrifiez les rats avec une anesthésie utilisant de l’isoflurane à >5% et effectuez un curage cervical.

6. Mesure SEP pour la cartographie corticale

1. Ouvrez MATLAB dont le nom de code est read_Intan_RHS2000_file.m pour l’analyse du signal.
   REMARQUE : read_Intan_RHS2000_file.m peut être téléchargé à partir de « https://intantech.com/downloads.html?tabSelect=Software ».
2. Cliquez sur le bouton Exécuter , sélectionnez le fichier d’enregistrement avec l’extension de nom de fichier « .rhs » et attendez que le fichier soit traité et lu.
3. Entrez la commande « plot (t, amplifier_data(« channel number »,:)) » pour créer un tracé linéaire 2D des données d’enregistrement, trouver les SEP et calculer l’amplitude des SEP dans tous les canaux.
   REMARQUE : Entrez le numéro de canal dans « numéro de canal ». Par exemple, « plot(t, amplifier_data(1,:)) » crée le tracé linéaire 2D du canal 1. De plus, lorsque l’expérimentateur calcule l’amplitude de la réponse, choisissez la réponse enregistrée à partir de chaque canal.
4. Obtenez des données en coloriant la grille avec une teinte différente en fonction de l’amplitude des SEP.
   NOTE : La commande MATLAB « imagesc » permet d’obtenir une carte topographique plus rapidement.

Résultats

Ce protocole décrit comment un réseau multicanal de graphène est monté à la surface du cerveau. La carte somatosensorielle a été construite en acquérant des réponses neuronales à des stimuli physiques et en calculant l’amplitude de la réponse. La figure 1 montre le schéma de cette expérience.

La figure 2A présente les caractéristiques structurelles d’un réseau d’électrodes en graphène. Il y a des trous traversa...

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...

matériels

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