Grafen Elektrot Dizisi Kullanarak Beyin Haritalama

Özet

İnvazivliği azaltmak ve uzay-zamansal çözünürlüğü iyileştirmek için grafen dizisi tabanlı bir beyin haritalama prosedürü sunuyoruz. Grafen dizisi tabanlı yüzey elektrotları, kıvrımlı bir beyinde uzun vadeli biyouyumluluk, mekanik esneklik ve beyin haritalaması için uygunluk sergiler. Bu protokol, aynı anda ve sırayla birden fazla duyusal harita biçiminin oluşturulmasına izin verir.

Özet

Kortikal haritalar, serebral korteksteki sensorimotor uyaranlara konuma bağlı sinirsel tepkilerin uzamsal organizasyonunu temsil eder ve fizyolojik olarak ilgili davranışların tahmin edilmesini sağlar. Kortikal haritaların elde edilmesinde penetran elektrotlar, elektroensefalografi, pozitron emisyon tomografisi, manyetoensefalografi ve fonksiyonel manyetik rezonans görüntüleme gibi çeşitli yöntemler kullanılmıştır. Bununla birlikte, bu yöntemler zayıf uzay-zamansal çözünürlük, düşük sinyal-gürültü oranı (SNR), yüksek maliyetler ve biyouyumsuzluk ile sınırlıdır veya beyinde fiziksel hasara neden olur. Bu çalışma, elektrokortikografinin bir özelliği olarak, üstün biyouyumluluk, yüksek uzay-zamansal çözünürlük, arzu edilen SNR ve en aza indirilmiş doku hasarı sunan ve önceki yöntemlerin dezavantajlarının üstesinden gelen grafen dizisi tabanlı bir somatosensoriyel haritalama yöntemi önermektedir. Bu çalışma, sıçanlarda somatosensoriyel haritalama için bir grafen elektrot dizisinin fizibilitesini göstermiştir. Sunulan protokol sadece somatosensoriyel kortekse değil, aynı zamanda işitsel, görsel ve motor korteks gibi diğer kortekslere de uygulanabilir ve klinik uygulama için ileri teknoloji sağlar.

Giriş

Kortikal harita, serebral korteksteki sensorimotor uyaranlara yanıt özelliklerini temsil eden bir dizi yerel yamadır. Sinir ağlarının uzamsal bir oluşumudur ve algı ve biliş için tahmin sağlarlar. Bu nedenle, kortikal haritalar, dış uyaranlara verilen sinirsel tepkilerin değerlendirilmesinde ve sensorimotor bilgilerin işlenmesinde^yararlıdır 1,2,3,4. Kortikal haritalama için invaziv ve noninvaziv yöntemler mevcuttur. En yaygın invaziv yöntemlerden biri, ^5,6,7,8'i haritalamak için intrakortikal (veya penetran) elektrotların kullanılmasını içerir.

Penetran elektrotlar kullanarak isteğe bağlı yüksek çözünürlüklü kortikal haritaların değerlendirilmesi çeşitli engellerle karşı karşıya kalmıştır. Yöntem, düzgün bir harita elde etmek için çok zahmetlidir ve klinik kullanım için uygulanamayacak kadar invazivdir, bu da daha fazla gelişmeyi yasaklar. Elektroensefalografi (EEG), pozitron emisyon tomografisi (PET), manyetoensefalografi (MEG) ve fonksiyonel manyetik rezonans görüntüleme (fMRI) gibi daha yeni teknolojiler, daha az invaziv ve tekrarlanabilir oldukları için popülerlik kazanmıştır. Bununla birlikte, engelleyici maliyetleri ve zayıf çözünürlükleri göz önüne alındığında, sınırlı sayıda durumda kullanılırlar 9,10,11. Son zamanlarda, üstün sinyal güvenilirliğine sahip esnek yüzey elektrotları büyük ilgi görmüştür. Grafen bazlı yüzey elektrotları, kıvrımlı bir beyinde^kararlı kayıtlar sağlayarak uzun vadeli biyouyumluluk ve mekanik esneklik gösterir 12,13,14,15,16. Grubumuz yakın zamanda kortikal yüzeyde yüksek çözünürlüklü kayıt ve bölgeye özgü nörostimülasyon için grafen tabanlı çok kanallı bir dizi geliştirmiştir. Bu teknoloji, duyusal bilginin kortikal temsillerini uzun süre takip etmemizi sağlar.

Bu makale, 30 kanallı bir grafen multielektrot dizisi kullanarak somatosensoriyel korteksin beyin haritasını elde etmeyle ilgili adımları açıklamaktadır. Beyin aktivitesini ölçmek için korteksin subdural bölgesine bir grafen elektrot dizisi yerleştirilirken, ön ayak, ön ayak, arka pençe, arka bacak, gövde ve bıyıklar tahta bir çubukla uyarılır. Somatosensoriyel alanlar için somatosensoriyel uyarılmış potansiyeller (SEP'ler) kaydedilir. Bu protokol işitsel, görsel ve motor korteks gibi diğer beyin bölgelerine de uygulanabilir.

Protokol

Tüm hayvan işleme prosedürleri, Incheon Ulusal Üniversitesi Kurumsal Hayvan Bakımı ve Kullanımı Komitesi (INU-ANIM-2017-08) tarafından onaylanmıştır.

1. Ameliyat için hayvan hazırlığı

NOT: Bu deney için cinsiyet yanlılığı olmadan Sprague Dawley Rat'ı (8-10 haftalık) kullanın.

1. Sıçan intraperitoneal olarak 90 mg / kg ketamin ve 10 mg / kg ksilazin kokteyli ile uyuşturulur. Ameliyat boyunca istenen anestezi derinliğini korumak için, sıçan uyanma belirtileri gösterdiğinde ek olarak 45 mg/kg ketamin ve 5 mg/kg ksilazin kokteyli sağlayın.
2. Sıçanın derin anestezi altında olduğunu doğrulayın ve ayak parmağı tutam, kuyruk kıstırma ve kornea refleksi gibi vücut yansımalarını düzenli olarak kontrol edin.
3. Bir düzeltici kullanarak gözler arasındaki kürkü ve kulakların arkasını tıraş edin.
4. Kurumasını önlemek için gözlere oftalmik bir merhem sürün.

2. Kortikal yüzey maruziyeti cerrahisi

1. Sıçan kafasını stereotaksik bir adaptörle stereotaksik aparata sabitleyin. Ameliyat sırasında vücut ısısını 37 °C'de tutmak için, fareyi sıcaklık kontrollü bir ısıtma yastığına yerleştirin.
2. Tıraşlı bölgeyi üç kez değişen alkol ve povidon-iyot fırçalarıyla sterilize edin.
3. Saç derisini sıkıca kavramak için forseps kullanın ve ameliyat bölgesinde lokal anesteziyi indüklemek için bir şırınga ile doğrudan kafa derisine 0.1 mL lidokain (% 2) enjekte edin.
4. Bir neşter ile 2-3 cm uzunluğunda bir orta hat kesisi yapın ve kafatasını ortaya çıkarmak için kafa derisini ayırın.
5. Kafatasını ortaya çıkarmak için kafa derisini sivrisinek forseps ile sıkıştırın.
6. Periosteumu çıkarmak için kafatasının yüzeyini forseps ile çizin.
7. Künt, omuriliğin tepesindeki eksenin üzerindeki cisterna magna'yı ortaya çıkarmak için oksipital kafatası üzerindeki kasları inceleyin.
8. Beyin omurilik sıvısını boşaltmak için cisterna magna'yı bıçakla kesin ve beyin ödemini önlemek ve iltihabı en aza indirmek için beyin omurilik sıvısını sürekli emmek için cisterna magna'nın kesisine steril bir gazlı bez koyun.
9. Bir kalem kullanarak, kafatası üzerinde anteroposterior eksende 3 mm ve sağ hemisferin bregmasından sağ yanal yönde 6 mm ölçülerinde dikdörtgen bir pencere işaretleyin.
   NOT: Üstün sagital sinüs rüptürünü önlemek için işaretleme orta hattan 1 mm'lik bir mesafeyi güvence altına almalıdır.
10. İşaretli alanı stereotaksik koordinata göre delin ve kafatasını bir kemik rongeur ile çıkarın.
11. Dura mater'i çıkarmak için 26 G iğnenin ucunu 90° bükün, dura mater'de bir delik açın, dura mater'i kaldırın, bu deliğe forseps yerleştirin ve forseps ile yırtın.
12. Kurumasını önlemek için somatosensoriyel korteksin üzerine tuzlu suyla ıslatılmış gazlı bez yerleştirin.

3. Kayıt sistemine bağlı grafen elektrot dizisinin hazırlanması

1. Omnetics konektörlü bir grafen elektrot dizisi hazırlayın.
   1. Salin solüsyonunu uygulayarak grafen çoklu elektrot dizisini hasara neden olmadan ayırın.
   2. Referans ve topraklama kablolarının dış kaplamasını konektörden çıkarın.
2. Grafen elektrot dizisi ile kafa aşamasını konektöre bağlayın.
3. Kafa aşamasına bağlı arabirim kablosunu kayıt sistemine takın.
4. Grafen elektrot dizisi kompleksini stereotaksik kola sabitleyin.
5. Tüm kanallardan gelen nöral sinyalleri yakalamak için, önceden belirlenmiş stereotaksik koordinatları takip ederek diziyi herhangi bir bükülme olmadan somatosensoriyel korteks üzerine konumlandırın.
6. Oksipital kemiğin arkasındaki dokunun altına bir referans kablosu yerleştirin ve topraklama kablosunu topraklanmış optik masaya bağlayın.

4. Haritalama için fiziksel stimülasyon ve SEP'lerin kaydedilmesi

1. Nöral sinyal kayıt yazılımını açın.
2. Kayıt yazılımı ortamını ayarlayın: (1) güç hattındaki gürültüyü gidermek için SEP'ler ve çentik filtresi (60 veya 50 Hz, ev tipi elektrik gücü frekansı) için örnekleme hızını ayarlayın.
3. Bıyık haritalaması için bıyığı ince bir çubukla bükün.
4. Vücut haritalaması için ön papa, ön ayak, arka pençe, arka bacak ve gövdeyi tahta bir çubukla sürekli olarak dürtün.
5. Belirtilen süre boyunca veri toplama sistemindeki sinirsel sinyalleri kaydedin.

5. Hayvan ötenazisi

1. Tüm kayıt işlemlerinden sonra,% >5 izofluran kullanarak sıçanları anestezi ile feda edin ve servikal diseksiyon yapın.

6. Kortikal haritalama için SEP ölçümü

1. Sinyal analizi için read_Intan_RHS2000_file.m kod adlı MATLAB'ı açın.
   NOT: read_Intan_RHS2000_file.m "https://intantech.com/downloads.html?tabSelect=Software" adresinden indirilebilir.
2. Çalıştır düğmesine tıklayın, ".rhs" dosya adı uzantısına sahip kayıt dosyasını seçin ve dosyanın işlenmesini ve okunmasını bekleyin.
3. Kayıt verilerinin 2B çizgi grafiğini oluşturmak, SEP'leri bulmak ve tüm kanallardaki SEP'lerin genliğini hesaplamak için "plot (t, amplifier_data("kanal numarası",:))" komutunu girin.
   NOT: "Kanal numarası" alanına kanal numarasını girin. Örneğin, "plot(t, amplifier_data(1,:))" kanal 1'in 2B çizgi grafiğini oluşturur. Ek olarak, deneyci yanıtın genliğini hesaplarken, her kanaldan kaydedilen yanıtı seçin.
4. SEP'lerin genliğine göre ızgarayı farklı bir tonla renklendirerek veri elde edin.
   NOT: MATLAB komutu "imagesc", topografik haritanın daha hızlı elde edilmesine yardımcı olur.

Sonuçlar

Bu protokol, grafen çok kanallı bir dizinin beynin yüzeyine nasıl monte edildiğini açıklar. Somatosensoriyel harita, fiziksel uyaranlara nöral yanıtlar alınarak ve yanıtın genliği hesaplanarak oluşturulmuştur. Şekil 1'de bu deneyin şeması gösterilmektedir.

Şekil 2A , bir grafen elektrot dizisinin yapısal özelliklerini sunar. Elektrotlar arasında alt tabakanın delikleri vardır. Bu delikler elektrotun kortikal y...

Tartışmalar

Sunulan protokol, bir grafen elektrot dizisi kullanarak sıçanların somatosensoriyel tepkilerine nasıl erişileceğini ve haritalanacağını açıklayan derinlemesine, adım adım bir süreç sağlar. Protokolle elde edilen veriler, her bir vücut parçasına sinaptik olarak bağlı somatosensoriyel bilgi sağlayan SEP'lerdir.

Bu protokolün çeşitli yönleri dikkate alınmalıdır. Beyin ödemini önlemek ve iltihabı hafifletmek için beyin omurilik sıvısı çıkarılırken, deneycini...

Malzemeler

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