Name: brain mapping using a graphene electrode array
Uploaded: 2023-10-20T14:45:00
Description: Watch this Scientific Journal Video about Brain Mapping Using a Graphene Electrode Array at JoVE.com

Detta arbete stöddes av Incheon National University (International Cooperative) för Sunggu Yang.

Alla djurhanteringsprocedurer godkändes av Institutional Animal Care and Use Committee vid Incheon National University (INU-ANIM-2017-08).
1. Djurens förberedelse inför operation
OBS: Använd Sprague Dawley Rat (8-10 veckor gammal) utan könsbias för detta experiment.
<ol><li>Bedöva råttan med 90 mg/kg ketamin och 10 mg/kg xylazincocktail intraperitonealt. För att bibehålla det önskade anestesidjupet under hela operationen, ge ett tillsko...

<ol>
	<li>Leergaard, T. B., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Rat+somatosensory+cerebropontocerebellar+pathways:+spatial+relationships+of+the+somatotopic+map+of+the+primary+somatosensory+cortex+are+preserved+in+a+three-dimensional+clustered+pontine+map.">Rat somatosensory cerebropontocerebellar pathways: spatial relationships of the somatotopic map of the primary somatosensory cortex are preserved in a three-dimensional clustered pontine map.</a> Journal of Comparative Neurology. 422 (2), 246-266 (2000).</li><li>Craner, S. L., Ray, R. H. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Somatosensory+cortex+of+the+neonatal+pig:+I.+Topographic+organization+of+the+primary+somatosensory+cortex+(SI).">Somatosensory cortex of the neonatal pig: I. Topographic organization of the primary somatosensory cortex (SI).</a> Journal of Comparative Neurology. 306 (1), 24-38 (1991).</li><li>Benison, A. M., Rector, D. M., Barth, D. S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Hemispheric+mapping+of+secondary+somatosensory+cortex+in+the+rat.">Hemispheric mapping of secondary somatosensory cortex in the rat.</a> Journal of Neurophysiology. 97 (1), 200-207 (2007).</li><li>Lee, M., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Graphene-electrode+array+for+brain+map+remodeling+of+the+cortical+surface.">Graphene-electrode array for brain map remodeling of the cortical surface.</a> NPG Asia Materials. 13 (1), (2021).</li><li>Yang, S. C., Weiner, B. D., Zhang, L. S., Cho, S. J., Bao, S. W. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Homeostatic+plasticity+drives+tinnitus+perception+in+an+animal+model.">Homeostatic plasticity drives tinnitus perception in an animal model.</a> Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. 108 (36), 14974-14979 (2011).</li><li>Yang, S., Zhang, L. S., Gibboni, R., Weiner, B., Bao, S. W. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Impaired+development+and+competitive+refinement+of+the+cortical+frequency+map+in+tumor+necrosis+factor-alpha-deficient+mice.">Impaired development and competitive refinement of the cortical frequency map in tumor necrosis factor-alpha-deficient mice.</a> Cerebral Cortex. 24 (7), 1956-1965 (2014).</li><li>Miyakawa, A., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Tinnitus+correlates+with+downregulation+of+cortical+glutamate+decarboxylase+65+expression+but+not+auditory+cortical+map+reorganization.">Tinnitus correlates with downregulation of cortical glutamate decarboxylase 65 expression but not auditory cortical map reorganization.</a> Journal of Neuroscience. 39 (50), 9989-10001 (2019).</li><li>Yang, S., Su, W., Bao, S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Long-term,+but+not+transient,+threshold+shifts+alter+the+morphology+and+increase+the+excitability+of+cortical+pyramidal+neurons.">Long-term, but not transient, threshold shifts alter the morphology and increase the excitability of cortical pyramidal neurons.</a> Journal of Neurophysiology. 108 (6), 1567-1574 (2012).</li><li>Beniczky, S., Schomer, D. L. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Electroencephalography:+basic+biophysical+and+technological+aspects+important+for+clinical+applications.">Electroencephalography: basic biophysical and technological aspects important for clinical applications.</a> Epileptic Disorders. 22 (6), 697-715 (2020).</li><li>Kim, S. G., Richter, W., U&#287;urbil, K. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Limitations+of+temporal+resolution+in+functional+MRI.">Limitations of temporal resolution in functional MRI.</a> Magnetic Resonance Medicine. 37 (4), 631-636 (1997).</li><li>Cho, Z. H., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=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.">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.</a> Proteomics. 8 (6), 1302-1323 (2008).</li><li>Viventi, J., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Flexible,+foldable,+actively+multiplexed,+high-density+electrode+array+for+mapping+brain+activity+in+vivo.">Flexible, foldable, actively multiplexed, high-density electrode array for mapping brain activity in vivo.</a> Nature Neuroscience. 14 (12), 1599-1605 (2011).</li><li>Masvidal-Codina, E., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=High-resolution+mapping+of+infraslow+cortical+brain+activity+enabled+by+graphene+microtransistors.">High-resolution mapping of infraslow cortical brain activity enabled by graphene microtransistors.</a> Nature Materials. 18 (3), 280-288 (2019).</li><li>Blaschke, B. M., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Mapping+brain+activity+with+flexible+graphene+micro-transistors.">Mapping brain activity with flexible graphene micro-transistors.</a> 2D Materials. 4 (2), 025040 (2017).</li><li>Park, S. W., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Epidural+electrotherapy+for+epilepsy.">Epidural electrotherapy for epilepsy.</a> Small. 14 (30), 1801732 (2018).</li><li>Lim, J., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Hybrid+graphene+electrode+for+the+diagnosis+and+treatment+of+epilepsy+in+free-moving+animal+models.">Hybrid graphene electrode for the diagnosis and treatment of epilepsy in free-moving animal models.</a> NPG Asia Materials. 15 (1), 7 (2023).</li><li>Hermanns, H., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Molecular+mechanisms+of+action+of+systemic+lidocaine+in+acute+and+chronic+pain:+a+narrative+review.">Molecular mechanisms of action of systemic lidocaine in acute and chronic pain: a narrative review.</a> British Journal of Anaesthesia. 123 (3), 335-349 (2019).</li><li>Tchoe, Y., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Human+brain+mapping+with+multithousand-channel+PtNRGrids+resolves+spatiotemporal+dynamics.">Human brain mapping with multithousand-channel PtNRGrids resolves spatiotemporal dynamics.</a> Science Translational Medicine. 14 (628), (2022).</li><li>Wilent, W. B., Contreras, D. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Dynamics+of+excitation+and+inhibition+underlying+stimulus+selectivity+in+rat+somatosensory+cortex.">Dynamics of excitation and inhibition underlying stimulus selectivity in rat somatosensory cortex.</a> Nature Neuroscience. 8 (10), 1364-1370 (2005).</li><li>Insanally, M. N., K&#246;ver, H., Kim, H., Bao, S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Feature-dependent+sensitive+periods+in+the+development+of+complex+sound+representation.">Feature-dependent sensitive periods in the development of complex sound representation.</a> Journal of Neuroscience. 29 (17), 5456-5462 (2009).</li></ol>

Det presenterade protokollet ger en djupgående, steg-för-steg-process som förklarar hur man får tillgång till och kartlägger de somatosensoriska reaktionerna hos råttor med hjälp av en grafenelektrod. De protokollinhämtade uppgifterna är SEP:er som ger somatosensorisk information som är synaptiskt kopplad till varje kroppsdel.
Flera aspekter av detta protokoll bör beaktas. Vid extraktion av cerebrospinalvätska för att förhindra hjärnödem och mildra inflammation är det avgöra...

En kortikal karta är en uppsättning lokala fläckar som representerar svarsegenskaper på sensomotoriska stimuli i hjärnbarken. De är en rumslig formation av neurala nätverk och möjliggör förutsägelse för perception och kognition. Därför är kortikala kartor användbara för att utvärdera neurala svar på externa stimuli och bearbeta sensomotorisk information 1,2,3,4. Invasiva och icke-invasiva metoder finns tillgängliga för kortikal kartläggning. En av de vanligaste invasiva metoderna innebär användning av intrakortikala (eller penetrerande) elektroder för kartläggning av 5,6,7,8.
Att bedöma de högupplösta kortikala kartorna på begäran med hjälp av penetrerande elektroder har stött på flera hinder. Metoden är för mödosam för att få en anständig karta och för invasiv för att implementeras för klinisk användning, vilket förhindrar vidare utveckling. Nyare tekniker som elektroencefalografi (EEG), positronemissionstomografi (PET), magnetencefalografi (MEG) och funktionell magnetisk resonanstomografi (fMRI) har vunnit popularitet eftersom dessa är mindre invasiva och reproducerbara. Men med tanke på deras oöverkomliga kostnader och dåliga upplösning används de i ett begränsat antal fall 9,10,11. På senare tid har flexibla ytelektroder med överlägsen signaltillförlitlighet väckt stor uppmärksamhet. Grafenbaserade ytelektroder uppvisar långsiktig biokompatibilitet och mekanisk flexibilitet, vilket ger stabila registreringar i en invecklad hjärna 12,13,14,15,16. Vår grupp har nyligen utvecklat en grafenbaserad flerkanalsarray för högupplöst inspelning och platsspecifik neurostimulering på den kortikala ytan. Denna teknik gör det möjligt för oss att hålla reda på de kortikala representationerna av sensorisk information under en längre period.
Den här artikeln beskriver stegen för att få en hjärnkarta över den somatosensoriska cortex med hjälp av en 30-kanals grafenmultielektrodmatris. För att mäta hjärnaktiviteten placeras en grafenelektrod på subduralområdet i cortex, medan framtassen, frambenet, baktassen, bakbenet, bålen och morrhåren stimuleras med en träpinne. De somatosensoriska framkallade potentialerna (SEP) registreras för somatosensoriska områden. Detta protokoll kan också tillämpas på andra hjärnområden, såsom hörsel-, syn- och motoriska cortex.

<table border="1" fo:keep-together.within-page="1" fo:keep-with-next.within-page="always">
	<tbody>
		<tr>
			<td>1mL syringe</td>
			<td>KOREAVACCINE CORPORATION</td>
			<td></td>
			<td>injecting the drug for anesthesia&#160;</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>3mL syringe</td>
			<td>KOREAVACCINE CORPORATION</td>
			<td></td>
			<td>injecting the drug for anesthesia&#160;</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Bone rongeur</td>
			<td>Fine Science Tools</td>
			<td>16220-14</td>
			<td>remove the skull</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>connector</td>
			<td>Gbrain</td>
			<td></td>
			<td>Connect graphene electrode to headstage</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>drill</td>
			<td>FALCON tool</td>
			<td></td>
			<td>grind the skull</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>drill bits</td>
			<td>Osstem implant</td>
			<td></td>
			<td>grind the skull</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Graefe iris forceps slightly curved serrated</td>
			<td>vubu</td>
			<td>vudu-02-73010</td>
			<td>remove the tissue from the skull or hold wiper</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>graphene multielectrode array</td>
			<td>Gbrain</td>
			<td></td>
			<td>records signals from neuron</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>isoflurane</td>
			<td>Hana Pharm Corporation</td>
			<td></td>
			<td>sacrifce the subject</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>ketamine</td>
			<td>yuhan corporation</td>
			<td></td>
			<td>used for anesthesia</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>lidocaine(2%)</td>
			<td>Daihan pharmaceutical&#160;</td>
			<td></td>
			<td>local anesthetic</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Matlab R2021b</td>
			<td>Mathworks</td>
			<td></td>
			<td>Data analysis Software</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>mosquito hemostats</td>
			<td>Fine Science Tools</td>
			<td>91309-12</td>
			<td>fasten the scalp</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>ointment</td>
			<td>Alcon</td>
			<td></td>
			<td>prevent eye from drying out&#160;</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>povidone</td>
			<td>Green Pharmaceutical corporation</td>
			<td></td>
			<td>disinfect the incision area</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>RHS 32ch Stim/Record headstage</td>
			<td>intan technologies</td>
			<td>M4032</td>
			<td>connect connector to interface cable and contain intan RHS stim/amplifier chip</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>RHS 6-ft (1.8m) Stim SPI interface cable</td>
			<td>intan technologies</td>
			<td>M3206</td>
			<td>connect graphene electrode to headstage</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>RHS Stim/Recording controller software</td>
			<td>intan technologies</td>
			<td></td>
			<td>Data Acquisition Software</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>RHS stimulation/ Recording controller</td>
			<td>intan technologies</td>
			<td>M4200</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>saline</td>
			<td>JW Pharmaceutical</td>
			<td></td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>scalpel</td>
			<td>Hammacher</td>
			<td>HSB 805-03</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>stereotaxic instrument</td>
			<td>stoelting</td>
			<td></td>
			<td>fasten the subject</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>sterile Hypodermic Needle</td>
			<td>KOREAVACCINE CORPORATION</td>
			<td></td>
			<td>remove the dura mater</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Steven Iris Tissue Forceps</td>
			<td>KASCO</td>
			<td>50-2026</td>
			<td>remove the dura mater</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>surgical blade no.11</td>
			<td>FEATHER</td>
			<td></td>
			<td>inscise the scalp</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>surgical sicssors</td>
			<td>Fine Science Tools</td>
			<td>14090-09</td>
			<td>inscise the scalp and remove the dura mater</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>wooden stick</td>
			<td></td>
			<td></td>
			<td>whisker stimulation</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>xylazine</td>
			<td>Bayer Korea</td>
			<td></td>
			<td>used for anesthesia</td>
		</tr>
	</tbody>
</table>

brain mapping using a graphene electrode array

Kortikala kartor representerar den rumsliga organisationen av platsberoende neurala svar på sensomotoriska stimuli i hjärnbarken, vilket möjliggör förutsägelse av fysiologiskt relevanta beteenden. Olika metoder, såsom penetrerande elektroder, elektroencefalografi, positronemissionstomografi, magnetencefalografi och funktionell magnetresonanstomografi, har använts för att få kortikala kartor. Dessa metoder begränsas dock av dålig spatiotemporal upplösning, lågt signal-brusförhållande (SNR), höga kostnader och icke-biokompatibilitet eller orsakar fysisk skada på hjärnan. Denna studie föreslår en grafenarray-baserad somatosensorisk kartläggningsmetod som en egenskap hos elektrokortikografi som erbjuder överlägsen biokompatibilitet, hög spatiotemporal upplösning, önskvärd SNR och minimerad vävnadsskada, vilket övervinner nackdelarna med tidigare metoder. Denna studie visade genomförbarheten av en grafenelektrod för somatosensorisk kartläggning hos råttor. Det presenterade protokollet kan tillämpas inte bara på den somatosensoriska cortex utan även på andra cortices såsom hörsel-, syn- och motoriska cortex, vilket ger avancerad teknik för klinisk implementering.

Detta protokoll beskriver hur en grafen flerkanalig array är monterad på hjärnans yta. Den somatosensoriska kartan konstruerades genom att samla in neurala svar på fysiska stimuli och beräkna amplituden av responsen. Figur 1 visar schemat för detta experiment.
Figur 2A visar de strukturella egenskaperna hos en grafenelektrod. Det finns genomgående hål i substratet mellan elektroderna. Dessa hål hjälper elektroden att komma i...

Watch this Scientific Journal Video about Brain Mapping Using a Graphene Electrode Array at JoVE.com

Brain Mapping Using a Graphene Electrode Array

Vi presenterar en grafenarray-baserad hjärnkartläggningsprocedur för att minska invasiviteten och förbättra den spatiotemporala upplösningen. Grafenbaserade ytelektroder uppvisar långsiktig biokompatibilitet, mekanisk flexibilitet och lämplighet för kartläggning av hjärnan i en invecklad hjärna. Detta protokoll gör det möjligt att konstruera flera former av sensoriska kartor samtidigt och sekventiellt.

Kartläggning av hjärnan med hjälp av en grafenelektrod

Cortical maps represent the spatial organization of location-dependent neural responses to sensorimotor stimuli in the cerebral cortex, enabling the ...

Den kortikala kartan är en uppsättning lokala fläckar som representerar responsegenskaper på sensoriska motoriska stimuli i hjärnbarken. Den kan upptäcka den rumsliga bildningen av neurala nätverk som kan erbjuda en förutsägelse för perception och kognition. Därför används kortikala kartor för att studera neurala svar från externa stimuli och bearbetning av sensorisk motorisk information För att skapa kortikala kartor är invasiva och icke-invasiva metoder.Att använda intrakortikala elektroder är en av de vanligaste invasiva metoderna som används för att kartlägga hjärnbarken. Eftersom det kan skada hjärnan vid hög upplösning förhindrar det att ytterligare mätningar görs. Alternativa verktyg för kartläggning av hjärnan, t.ex. EEG, PET, MEG, fMRI, är icke-invasiva metoder som möjliggör kartläggning av hela hjärnan och upprepad provtagning.Flera nackdelar är dock låg rumslig tidsupplösning, tidsfördröjning, fel på grund av ospecificerade modulerande ingångar och oöverkomliga kostnader. Optiska tekniker som kalciumavbildning och optogenetisk fMRI ger storskalig kartläggning av hjärnan men är inte kliniskt fördelaktiga på grund av indikatortoxicitet och låg rumslig tidsupplösning. Grafenelektroden uppvisar långsiktig biokompatibilitet och mekanisk flexibilitet som ger stabila registreringar av den invecklade hjärnan.Nyligen har vår grupp utvecklat en grafenelektrod som ger högupplösta inspelningar av neurala signaler på den kortikala ytan. Detta protokoll använder en grafenelektrod för att registrera SEP:erna från en SD-råttas framtass, framben, baktass, bakben, bål och morrhår för att skapa en kortikal karta. Administrera en intraperitoneal injektion av ketamin och xylazincocktail med en dos på 90 milligram per kilogram för ketamin och 10 milligram per kilogram för xylazin.För att bibehålla ett önskat anestesidjup under hela operationen, injicera en 45 milligram per kilo ketamin och fem milligram per kilo xylazincocktail om råttan visar tecken på uppvaknande. Nyp ihop tån för att bekräfta anestesidjupet. Om råttan darrar, vänta ytterligare några minuter tills den inte svarar.Raka pälsen på råttans huvud från utrymmet mellan ögonen till baksidan av öronen med hjälp av en trimmer. Applicera sedan en oftalmisk salva på ögonen. Använd öronstänger och stereotaktiska adaptrar för att fästa råttans huvud på den stereotaktiska apparaten.Se till att råttans huvud sitter fast ordentligt. Sterilisera ett rakat område med povidonindränkt bomullsbyte. Skrubba det rakade området med alkohol.Upprepa steriliseringsprocessen tre gånger. Injicera sedan 0,1 milliliter 2% lidokain i hårbotten för att inducera lokalbedövning. Skapar ett två till tre centimeter långt snitt i mittlinjen och drar isär hårbotten i sidled för att exponera skallen.Kläm fast hårbotten för att exponera skallen med en myggpincett. Börja med att ta bort benhinnan genom att skrapa på skallens yta med en pincett. I en rak linje mot lambda, lokalisera sternum magna genom att slita muskeln bakom nackbenet på den bakre kanten.Använd ett mikroskop för att få en närbild av cisterna magna. Snitta cisterna magna försiktigt. Efter att ha slitit sönder cisterna magna rinner cerebrala ryggmärgsvätskor ut.Töm ryggmärgsvätskan med den lindade sterila gasbindan för att sjunka ner i hjärnan. Markera var grafenelektroden kommer att placeras baserat på de fördefinierade stereotaktiska koordinaterna enligt bregmans position. Den somatosensoriska cortexen är belägen tre millimeter i den främre bakre axeln och sex millimeter i höger lateral riktning från bregma i den högra hjärnhalvans skalle.Borra det område som är markerat enligt den stereotaktiska koordinaten. Ta bort skallen med benrongeur. Stick in en bomullspinne i en 26 skrikig nål.Böj nålen till 90 grader. För att ta bort dura mater, skapa ett hål med en böjd nål. Lyft dura mater uppåt, sätt in pincetten i hålet och fortsätt att klippa dura mater med sax eller riv av den med pincett.Fäst den sterila gasbindan våt med koksaltlösning på den somatosensoriska cortexen för att förhindra att cortex torkar ut. Lossa grafenmultielektrodmatrisen utan att orsaka någon skada genom att applicera saltlösning. Ta bort det yttre höljet på referens- och jordledningarna från kontakten.För att ställa in grafenmultielektrodmatrisen för kartläggning, anslut huvudet stage med kontakten. Anslut grafenelektrodledaren med kontakten. Anslut gränssnittskabeln till inspelningskontrollen.Anslut grafenmultielektrodmatrisen och kontaktkomplexet till en gränssnittskabel. Fäst sedan grafenmultielektrodmatriskomplexet på den stereotaktiska armen. Placera grafenelektrodmatrisen på den somatosensoriska cortex baserat på de fördefinierade stereotaktiska koordinaterna.Placera referenstråden i vävnaden bakom nackbenet. Anslut sedan jordledningen till det jordade optiska bordet. Öppna inspelningsprogrammet och ställ in samplingshastigheten på 30 kilohertz och klicka på OK-knappen.Ställ in 60 hertz notch-filtret för att ta bort bruset från strömmen. Böj morrhåren med en fin pinne. Spela in neurala signaler genom datainsamlingssystemet under önskad tid.Dessa signaler är neurala signaler som erhålls genom stimuli för morrhår. Andra kroppsdelar stimulerar också på samma sätt att registrera sprutbytesprogram. Öppna MATLAB-koden med namnet read_Intan_RHS2000 filen.Klicka på knappen Kör. Välj inspelningsfilen och klicka på den filen och vänta sedan på att filen ska läsas. Ange kommandodiagrammet för att skapa ett 2D-linjediagram.Välj de representativa toppsignalerna som var som svar på stimulus och beräkna amplituderna för SEP:erna genom att mäta maximi- och minimivärdena. Erhåll den topografiska kartan genom att färglägga graden med de olika färgnyanserna enligt SEP:s amplitud. Grafenelektroden är till vänster.Det finns genomgående hål i substratet mellan alla elektroder. Dessa hål hjälper elektroderna att upprätthålla stark kontakt med cortex. Till höger visar bilden elektrodmatrisen på cortex.Till vänster visas förhållandet mellan varje platsberoende neuralt svar som orsakas av stimulering till olika delar av råttans kropp i form av en råtta. Varje kroppsdel representeras av en annan färg. Detta konfigurerar en somatosensorisk cortexkarta.Till höger visar följande figur ett stimulusspecifikt svar som erhållits genom de flerkanaliga grafenelektroderna som placerades på ytan av cortex. Varje färgad ruta representerar de svar som olika kroppsdelar hade på de 30 kanalerna. Figuren ovan representerar de LFP:er som detekteras på ytan av den somatosensoriska cortex med hjälp av grafenelektroder.Färgfältet visar att en större amplitud representeras av en mörkare färgnyans och varje färg representerar en annan kroppsdel. Figuren böjer amplituden baserat på nyanserna i färgfältet. Denna homunculus av gnagaren skapades med hjälp av de resultat som just förklarades.Ju större amplitud en viss kroppsdel hade, desto större skulle den illustreras på homonculus. Figuren nedan visar separata uppgifter om LFP:er som samlats in från varje kroppsdel. Den representerar de varierande amplituderna för LFP:er som detekteras baserat på färgfältet.Det finns flera försiktighetsåtgärder för denna procedur. När man tar bort ryggmärgsvätskan bör försöksledaren vara försiktig så att han eller hon inte rör vid hjärnstammen eller ryggmärgen. Det här steget kräver övning.Gnagarens morrhår är tillräckligt utvecklat för att känna av en avböjningsriktning, stimulusintensitet och placering av morrhåren som stimulerades. Det är därför morrhåren bör stimuleras i en konstant riktning och intensitet för detta protokoll. Andra kroppsdelar bör också stimuleras konsekvent.Begränsningen med detta protokoll är att signaler som framkallas i djupa hjärnstrukturer inte kan registreras när en grafenelektrod är monterad på den kortikala ytan. Experimentatorn kan därför inte identifiera hur det kolumnära nätverket är hierarkiskt organiserat när det gäller de neurala svaren. Icke desto mindre kan detta protokoll tillämpas ytterligare om experimentatorn ändrar de flera områden där elektrodmatriserna är placerade.Till exempel, om experimentledaren placerar elektroden på hörsel- eller synbarken för att extrahera auditiv och visuell information, kan de få de auditiva eller visuella kartorna. Detta protokoll kan också utvidgas till kronisk implantation av grafenmultielektrodmatrisen.

brain-mapping-using-a-graphene-electrode-array

Research

JoVE Journal

Neuroscience

Multi-electrode Array Recordings of Neuronal Avalanches in Organotypic Cultures

The cortex is spontaneously active, even in the absence of any particular input or motor output. During development, this activity is important for the migration and differentiation of cortex cell types and the formation of neuronal connections1. In the mature animal, ongoing activity reflects the past and the present state of an animal into which sensory stimuli are seamlessly integrated to compute future actions. Thus, a clear understanding of the organization of ongoing i.e. spontaneous activity is a prerequisite to understand cortex function. 
Numerous recording techniques revealed that ongoing activity in cortex is comprised of many neurons whose individual activities transiently sum to larger events that can be detected in the local field potential (LFP) with extracellular microelectrodes, or in the electroencephalogram (EEG), the magnetoencephalogram (MEG), and the BOLD signal from functional magnetic resonance imaging (fMRI). The LFP is currently the method of choice when studying neuronal population activity with high temporal and spatial resolution at the mesoscopic scale (several thousands of neurons). At the extracellular microelectrode, locally synchronized activities of spatially neighbored neurons result in rapid deflections in the LFP up to several hundreds of microvolts. When using an array of microelectrodes, the organizations of such deflections can be conveniently monitored in space and time. 
Neuronal avalanches describe the scale-invariant spatiotemporal organization of ongoing neuronal activity in the brain2,3. They are specific to the superficial layers of cortex as established in vitro4,5, in vivo in the anesthetized rat 6, and in the awake monkey7. Importantly, both theoretical and empirical studies2,8-10 suggest that neuronal avalanches indicate an exquisitely balanced critical state dynamics of cortex that optimizes information transfer and information processing.
In order to study the mechanisms of neuronal avalanche development, maintenance, and regulation, in vitro preparations are highly beneficial, as they allow for stable recordings of avalanche activity under precisely controlled conditions. The current protocol describes how to study neuronal avalanches in vitro by taking advantage of superficial layer development in organotypic cortex cultures, i.e. slice cultures, grown on planar, integrated microelectrode arrays (MEA; see also 11-14).

A robust way to study neuronal avalanches, i.e. scale-invariant spatio-temporal activity bursts, indicative of critical state dynamics in cortex. Avalanches emerge spontaneously in developing superficial layers of cultured cortex which allows for long-term measurements of the activity with planar integrated multi-electrode arrays (MEA) under precisely controlled conditions.

Multi-elektrod Array Inspelningar av neuronala laviner i Organotypic kulturer

The cortex is spontaneously active, even in the absence of any particular input or motor output.  During development, this activity is important for the ...

Mapping Cortical Dynamics Using Simultaneous MEG/EEG and Anatomically-constrained Minimum-norm Estimates: an Auditory Attention Example

Magneto- and electroencephalography (MEG/EEG) are neuroimaging techniques that provide a high temporal resolution particularly suitable to investigate the cortical networks involved in dynamical perceptual and cognitive tasks, such as attending to different sounds in a cocktail party. Many past studies have employed data recorded at the sensor level only, i.e., the magnetic fields or the electric potentials recorded outside and on the scalp, and have usually focused on activity that is time-locked to the stimulus presentation. This type of event-related field / potential analysis is particularly useful when there are only a small number of distinct dipolar patterns that can be isolated and identified in space and time. Alternatively, by utilizing anatomical information, these distinct field patterns can be localized as current sources on the cortex. However, for a more sustained response that may not be time-locked to a specific stimulus (e.g., in preparation for listening to one of the two simultaneously presented spoken digits based on the cued auditory feature) or may be distributed across multiple spatial locations unknown a priori, the recruitment of a distributed cortical network may not be adequately captured by using a limited number of focal sources.
Here, we describe a procedure that employs individual anatomical MRI data to establish a relationship between the sensor information and the dipole activation on the cortex through the use of minimum-norm estimates (MNE). This inverse imaging approach provides us a tool for distributed source analysis. For illustrative purposes, we will describe all procedures using FreeSurfer and MNE software, both freely available. We will summarize the MRI sequences and analysis steps required to produce a forward model that enables us to relate the expected field pattern caused by the dipoles distributed on the cortex onto the M/EEG sensors. Next, we will step through the necessary processes that facilitate us in denoising the sensor data from environmental and physiological contaminants. We will then outline the procedure for combining and mapping MEG/EEG sensor data onto the cortical space, thereby producing a family of time-series of cortical dipole activation on the brain surface (or "brain movies") related to each experimental condition. Finally, we will highlight a few statistical techniques that enable us to make scientific inference across a subject population (i.e., perform group-level analysis) based on a common cortical coordinate space.

We use magneto- and electroencephalography (MEG/EEG), combined with anatomical information captured by magnetic resonance imaging (MRI), to map the dynamics of the cortical network associated with auditory attention.

Kartläggning Kortikala Dynamics med samtidig MEG / EEG och anatomiskt-begränsade Minsta-norm uppskattningar: en auditiv uppmärksamhet Exempel

Magneto- and electroencephalography (MEG/EEG) are neuroimaging techniques that provide a high temporal resolution particularly suitable to investigate the ...

A Computer-assisted Multi-electrode Patch-clamp System

The patch-clamp technique is today the most well-established method for recording electrical activity from individual neurons or their subcellular compartments. Nevertheless, achieving stable recordings, even from individual cells, remains a time-consuming procedure of considerable complexity. Automation of many steps in conjunction with efficient information display can greatly assist experimentalists in performing a larger number of recordings with greater reliability and in less time. In order to achieve large-scale recordings we concluded the most efficient approach is not to fully automatize the process but to simplify the experimental steps and reduce the chances of human error while efficiently incorporating the experimenter's experience and visual feedback. With these goals in mind we developed a computer-assisted system which centralizes all the controls necessary for a multi-electrode patch-clamp experiment in a single interface, a commercially available wireless gamepad, while displaying experiment related information and guidance cues on the computer screen. Here we describe the different components of the system which allowed us to reduce the time required for achieving the recording configuration and substantially increase the chances of successfully recording large numbers of neurons simultaneously.

Multi-electrode patch-clamp recordings constitute a complex task. Here we show how, by automating of many of the experimental steps, it is possible to accelerate the process leading to qualitative improvement in performance and number of recordings.

Ett Datorstödd Multi-elektrod Patch-clamp System

The patch-clamp technique is today the most  well-established method for recording electrical activity from individual  neurons or their subcellular ...

Functional Imaging of Auditory Cortex in Adult Cats using High-field fMRI

Current knowledge of sensory processing in the mammalian auditory system is mainly derived from electrophysiological studies in a variety of animal models, including monkeys, ferrets, bats, rodents, and cats. In order to draw suitable parallels between human and animal models of auditory function, it is important to establish a bridge between human functional imaging studies and animal electrophysiological studies. Functional magnetic resonance imaging (fMRI) is an established, minimally invasive method of measuring broad patterns of hemodynamic activity across different regions of the cerebral cortex. This technique is widely used to probe sensory function in the human brain, is a useful tool in linking studies of auditory processing in both humans and animals and has been successfully used to investigate auditory function in monkeys and rodents. The following protocol describes an experimental procedure for investigating auditory function in anesthetized adult cats by measuring stimulus-evoked hemodynamic changes in auditory cortex using fMRI. This method facilitates comparison of the hemodynamic responses across different models of auditory function thus leading to a better understanding of species-independent features of the mammalian auditory cortex.

Functional studies of the auditory system in mammals have traditionally been conducted using spatially-focused techniques such as electrophysiological recordings. The following protocol describes a method of visualizing large-scale patterns of evoked hemodynamic activity in the cat auditory cortex using functional magnetic resonance imaging.

Funktionell avbildning av hörselbarken hos vuxna katter med hjälp av hög-fält fMRI

Current knowledge of sensory processing in the mammalian auditory system is mainly derived from electrophysiological studies in a variety of animal ...

Neural Activity Propagation in an Unfolded Hippocampal Preparation with a Penetrating Micro-electrode Array

This protocol describes a method for preparing a new in vitro flat hippocampus preparation combined with a micro-machined array to map neural activity in the hippocampus. The transverse hippocampal slice preparation is the most common tissue preparation to study hippocampus electrophysiology. A longitudinal hippocampal slice was also developed in order to investigate longitudinal connections in the hippocampus. The intact mouse hippocampus can also be maintained in vitro because its thickness allows adequate oxygen diffusion. However, these three preparations do not provide direct access to neural propagation since some of the tissue is either missing or folded. The unfolded intact hippocampus provides both transverse and longitudinal connections in a flat configuration for direct access to the tissue to analyze the full extent of signal propagation in the hippocampus in vitro. In order to effectively monitor the neural activity from the cell layer, a custom made penetrating micro-electrode array (PMEA) was fabricated and applied to the unfolded hippocampus. The PMEA with 64 electrodes of 200 &#181;m in height could record neural activity deep inside the mouse hippocampus. The unique combination of an unfolded hippocampal preparation and the PMEA provides a new in-vitro tool to study the speed and direction of propagation of neural activity in the two-dimensional CA1-CA3 regions of the hippocampus with a high signal to noise ratio.

We have developed an in vitro unfolded hippocampus which preserves CA1-CA3 array of neurons. Combined with the penetrating micro-electrode array, neural activity can be monitored in both the longitudinal and transverse orientations. This method provides advantages over hippocampal slice preparations as the propagation in the entire hippocampus can be recorded simultaneously.

Neural aktivitet Förökning i ovikt hippocampus Beredning med en Penetrating Micro-elektrod Array

This protocol describes a method for preparing a new in vitro flat hippocampus preparation combined with a micro-machined array to map neural activity in ...

Direct-current Stimulation and Multi-electrode Array Recording of Seizure-like Activity in Mice Brain Slice Preparation

Cathodal transcranial direct-current stimulation (tDCS) induces suppressive effects on drug-resistant seizures. To perform effective actions, the stimulation parameters (e.g., orientation, field strength, and stimulation duration) need to be examined in mice brain slice preparations. Testing and arranging the orientation of the electrode relative to the position of the mice brain slice are feasible. The present method preserves the thalamocingulate pathway to evaluate the effect of DCS on anterior cingulate cortex seizure-like activities. The results of the multichannel array recordings indicated that cathodal DCS significantly decreased the amplitude of the stimulation-evoked responses and duration of 4-aminopyridine and bicuculline-induced seizure-like activity. This study also found that cathodal DCS applications at 15 min caused long-term depression in the thalamocingulate pathway. The present study investigates the effects of DCS on thalamocingulate synaptic plasticity and acute seizure-like activities. The current procedure can test the optimal stimulation parameters including orientation, field strength, and stimulation duration in an in vitro mouse model. Also, the method can evaluate the effects of DCS on cortical seizure-like activities at both the cellular and network levels.

Studies have shown that cathodal transcranial direct-current stimulation can produce suppressive effects on drug-resistant seizures. In this study, an in vitro experimental setup was devised in which the direct-current stimulation and multielectrode array recording of seizure-like activity were evaluated in mice brain slice preparation. The direct-current stimulation parameters were evaluated.

Likström stimulering och Multi-elektrod Array Registrering av krampliknande symtom hos möss Brain skiva beredning

Cathodal transcranial direct-current stimulation (tDCS) induces suppressive effects on drug-resistant seizures. To perform effective actions, the ...

Chronic Implantation of Whole-cortical Electrocorticographic Array in the Common Marmoset

Electrocorticography (ECoG) allows the monitoring of electrical field potentials from the cerebral cortex with high spatiotemporal resolution. Recent development of thin, flexible ECoG electrodes has enabled conduction of stable recordings of large-scale cortical activity. We have developed a whole-cortical ECoG array for the common marmoset. The array continuously covers almost the entire lateral surface of cortical hemisphere, from the occipital pole to the temporal and frontal poles, and it captures whole-cortical neural activity in one shot. This protocol describes a chronic implantation procedure of the array in the epidural space of the marmoset brain. Marmosets have two advantages regarding ECoG recordings, one being the homologous organization of anatomical structures in humans and macaques, including frontal, parietal, and temporal complexes. The other advantage is that the marmoset brain is lissencephalic and contains a large number of complexes, which are more difficult to access in macaques with ECoG, that are exposed to the brain surface.These features allow direct access to most cortical areas beneath the surface of the brain. This system provides an opportunity to investigate global cortical information processing with high resolutions at a sub-millisecond order in time and millimeter order in space.

We have developed a whole-cortical electrocorticographic array for the common marmoset that continuously covers almost the entire lateral surface of cortex, from the occipital pole to the temporal and frontal poles. This protocol describes a chronic implantation procedure of the array in the epidural space of the marmoset brain.

Kronisk Implantation av hela-kortikala Electrocorticographic matris i Marmosettapa

Electrocorticography (ECoG) allows the monitoring of electrical field potentials from the cerebral cortex with high spatiotemporal resolution. Recent ...

Translational Brain Mapping at the University of Rochester Medical Center: Preserving the Mind Through Personalized Brain Mapping

The Translational Brain Mapping Program at the University of Rochester is an interdisciplinary effort that integrates cognitive science, neurophysiology, neuroanesthesia, and neurosurgery. Patients who have tumors or epileptogenic tissue in eloquent brain areas are studied preoperatively with functional and structural MRI, and intraoperatively with direct electrical stimulation mapping. Post-operative neural and cognitive outcome measures fuel basic science studies about the factors that mediate good versus poor outcome after surgery, and how brain mapping can be further optimized to ensure the best outcome for future patients. In this article, we describe the interdisciplinary workflow that allows our team to meet the synergistic goals of optimizing patient outcome and advancing scientific understanding of the human brain.

This article provides an overview of a multi-modal brain mapping program designed to identify regions of the brain that support critical cognitive functions in individual neurosurgery patients.

Translationell hjärnavbildning vid University of Rochester Medical Center: bevara sinnet genom personlig hjärnavbildning

The Translational Brain Mapping Program at the University of Rochester is an interdisciplinary effort that integrates cognitive science, neurophysiology, ...

Real-Time fMRI Brain Mapping in Animals

Dynamic fMRI responses vary largely according to the physiological conditions of animals either under anesthesia or in awake states. We developed a real-time fMRI platform to guide experimenters to monitor fMRI responses instantaneously during acquisition, which can be used to modify the physiology of animals to achieve desired hemodynamic responses in animal brains. The real-time fMRI set-up is based on a 14.1T preclinical MRI system, enabling the real-time mapping of dynamic fMRI responses in the primary forepaw somatosensory cortex (FP-S1) of anesthetized rats. Instead of a retrospective analysis to investigate confounding sources leading to the variability of fMRI signals, the real-time fMRI platform provides a more effective scheme to identify dynamic fMRI responses using customized macro-functions and a common neuroimage analysis software in the MRI system. Also, it provides immediate troubleshooting feasibility and a real-time biofeedback stimulation paradigm for brain functional studies in animals.

Animal brain functional mapping can benefit from the real-time functional magnetic resonance imaging (fMRI) experimental set-up. Using the latest software implemented in the animal MRI system, we established a real-time monitoring platform for small animal fMRI.

Realtids fMRI-hjärnkartläggning hos djur

Dynamic fMRI responses vary largely according to the physiological conditions of animals either under anesthesia or in awake states. We developed a ...

Electroencephalographic (EEG) Electrode Implantation on Mouse Brain

To begin, use an intraperitoneal anesthetized mouse and expose the skull Using standard surgical procedures. Attach the stainless steel rod mounted to the 2D electrode array on the backside of the flexible substrate to a manipulator. Then place the flexible substrate on the exposed skull.Adjust the location of channels 3 and 14 on the array to fit within the inferior colliculus. Draw four small circles at the locations of channels 3, 8, 9, and 14 on the skull with a permanent marker to serve as targeting landmarks. Next, dry the skull surface to improve the adherence of the dental cement and to electrically isolate the 2D electrode array on the flexible substrate from the mouse skull.Apply a layer of dental cement to the skull surface approximately one millimeter thick and allow the cement to cure for approximately 30 minutes. Align the flexible substrate in line with the small circular marks on the surface of the skull. Then position the tip of a dental drill on each electrode pad hole on the flexible substrate and carefully drill into the skull.Using a screwdriver, secure the miniature screw electrodes into the drill holes of the skull. Crimp the head of the screw electrode and the electrode pad firmly. Finally, measure the conductance between each screw electrode and the connector with testing equipment, such as an LCR meter to confirm electrical conductivity.