Mikroelektroda s vysokou hustotou pro záznamy lidských neuronů

Záznam aktivity lidského mozku v mnoha měřítcích je důležitým nástrojem klinické medicíny. Schopnost zaznamenat extracelulární akční potenciály, jinak známá jako „aktivita jedné jednotky“ (SUA), poskytla základní vhled do detailů neuronální funkce u lidí, stejně jako u různých nehumánních zvířat. U lidí jsou techniky pro záznam extracelulárních akčních potenciálů relativně omezené. Pevné sondy s ostrými hroty vyráběné několika společnostmi jsou schváleny FDA a běžně se používají jako součást standardní péče během různých chirurgických postupů, jako je implantace zařízení pro hlubokou mozkovou stimulaci (DBS) k identifikaci oblastí neuronální aktivity a optimalizaci umístění klinických elektrod. Stejná technika byla použita k lepšímu pochopení funkce mozku a jeho poškození nemocí u lidí. Kromě toho je k dispozici řada semi-chronicky implantovaných mikrodrátů. Tyto elektrody se častěji používají u pacientů se záchvatovými poruchami a umožňují nahlédnout do síťového chování, jako je mediální temporální lalok a mediální frontální lalok.

Mezi záznamovými schopnostmi moderních elektrod používaných ve výzkumu na zvířatech a tím, co je v současnosti klinicky dostupné pro testování na lidech, však zůstává obrovská propast. Typická pevná hřídelová jednoduchá elektroda v současnosti používaná v klinické péči zaznamená kdekoli 1-3 zřetelně izolované neurony najednou. Naproti tomu v nejmodernějším výzkumu na zvířatech sondy s vyšší hustotou, jako je elektroda Neuropixel [4-6], nyní běžně umožňují záznam stovek nebo dokonce tisíců neuronů v jedné oblasti mozku. Tato výrazně zvýšená schopnost záznamu se přímo promítá do lepšího pochopení toho, jak mozkové neurony a sítě interagují a vytvářejí složité chování a nemoci. Většina běžně používaných elektrod s vysokou hustotou je založena na pevném křemíkovém hřídeli, na kterém je zabudováno více záznamových kontaktů (typicky vyrobených z platiny, iridia, zlata nebo vodivých polymerů). Existuje několik významných omezení sond na bázi křemíku při jejich převodu do velkých mozkových a zejména lidských aplikací [7] Za prvé, křemík je křehký, díky čemuž jsou elektrody náchylné ke zlomení, což je činí riskantními pro aplikace u lidí. Kromě toho je proces mikrovýroby křemíku nepraktický pro výrobu velkých zařízení, protože omezuje komerčně dostupnou délku sondy na přibližně 20 mm, což je příliš krátké pro většinu klinických aplikací v lidském mozku. Také spojení mezi kontakty elektrod a předzesilovačem v aktuálně dostupných produktech vyžaduje pevnou desku s plošnými spoji, která je připevněna k elektrodě, se kterou je obtížné pracovat a která vyžaduje, aby byly předzesilovače umístěny velmi blízko mozek. I když existují verze křemíkových sond schválené FDA (tj. Utah Array používané pro rozhraní mozkových strojů), tyto aplikace jsou omezeny na krátké sondy dlouhé < 2 mm používané pro povrchové kortikální záznamy. Popsaná vlastní materiálová a procesní omezení činí nepravděpodobným, že by technologie sond na bázi křemíku poskytly klinicky použitelnou sondu pro hlubší místa v lidském mozku. Výzkumníci se proto snažili využít nový druh přeložitelné technologie pro klinické použití.

Výzkumníci se snaží otestovat robustnější a spolehlivější techniku ​​pro záznam velkého počtu jednotlivých neuronů v lidském mozku. Diagnostic Biochips Inc. (Glen Burnie, MD) je výrobce elektrod, který vyvinul nový typ elektrody, která se skládá z hřídele z nerezové oceli a řady elektrod s vysokou hustotou na bázi polyimidu, které jsou zapuštěny do tohoto hřídele. Tento typ konstrukce elektrody se ukázal jako vysoce spolehlivý pro hluboké průniky do mozku o délce až 8 cm u hlodavců a subhumánních primátů. Ocelový nosič je vysoce robustní a zcela se vyhne problémům s rozbitím spojeným s konstrukcí na bázi křemíku a jinými konstrukcemi sondy s vysokou hustotou. Podobně jsou elektrody na bázi polyimidu materiálem, o kterém je dobře známo, že není biotoxický, který je dobře snášen a je součástí mnoha v současnosti schválených produktů FDA. Elektroda DBC Deep Array je připojena přímo k mikroprocesoru Intan (Los Angeles, CA) namontovanému na druhém konci hřídele. Tento mikroprocesor generuje digitální signál, takže lze využít dlouhé spojení mezi mikroprocesorem a jednotkou Intan zesilovače používanou k záznamu dat, aniž by došlo ke ztrátě signálu nebo přidání šumu. Tato funkce je zásadní pro zlepšení bezpečnosti pacienta a snížení rizika infekce během záznamu. Ocel je tuhá a není náchylná k lámání jako křemík. Kromě toho lze tento typ elektrody výrazně prodloužit, jednoduše použitím delšího hřídele z nerezové oceli k upevnění pole z polyimidu s vysokou hustotou. Zatímco v současnosti vyráběná hloubková pole DBC používaná při výzkumu na zvířatech mají délku 40-80 mm, délka až 300 mm je snadno proveditelná. To kontrastuje s maximální délkou 10-20 mm, která je dosažitelná pro systémy na bázi křemíku a jiné systémy s vysokou hustotou. Délka > 100 mm je nutná pro sondování hlubokých mozkových struktur, jako jsou bazální ganglia v lidském mozku, což se běžně provádí v klinických podmínkách. Elektroda DBC může zaznamenávat až 1024 jednotlivých kanálů současně. Zařízení DBC byla úspěšně použita u primátů kromě člověka a prošla testy biologické kompatibility, cytotoxicity, sterilizace a bezpečnosti, které se očekávají pro použití u lidí. Výsledky těchto testů byly všechny úspěšné a výsledné zprávy jsou připojeny k tomuto protokolu.