En højdensitetsmikroelektrode til menneskelige neuronale optagelser

Registrering af menneskelig hjerneaktivitet på mange skalaer er et vigtigt værktøj i klinisk medicin. Evnen til at registrere ekstracellulære aktionspotentialer, ellers kendt som en "single unit activity" (SUA) har givet grundlæggende indsigt i detaljerne i neuronal funktion hos mennesker såvel som en række ikke-menneskelige dyr. Hos mennesker er teknikkerne til registrering af ekstracellulære aktionspotentialer relativt begrænsede. Stive, skarpe prober fremstillet af adskillige virksomheder er FDA-godkendt og bruges rutinemæssigt som en del af standardbehandling under en række kirurgiske procedurer, såsom dyb hjernestimulering (DBS) enhedsimplantation for at identificere områder med neuronal aktivitet og optimere placeringen af ​​kliniske elektroder. Den samme teknik er blevet brugt til bedre at forstå hjernens funktion og dens svækkelse af sygdom hos mennesker. Derudover er en række semikronisk implanterede mikrotrådsteknikker tilgængelige. Disse elektroder er mere almindeligt anvendt hos patienter med anfaldslidelser og har givet indsigt i netværksadfærd såsom i den mediale temporallap og medial frontallappen.

Der er dog stadig en enorm kløft mellem optagelsesmulighederne for moderne elektroder, der bruges i dyreforskning, og det, der i øjeblikket er klinisk tilgængeligt til forsøg på mennesker. En typisk enkelt elektrode med stift skaft, der i øjeblikket anvendes i klinisk pleje, vil optage alt fra 1-3 tydeligt isolerede neuroner ad gangen. I modsætning hertil tillader i avanceret dyreforskning, prober med højere tæthed såsom Neuropixel-elektroden [4-6] nu rutinemæssigt optagelse af hundreder eller endda tusindvis af neuroner i en enkelt hjerneregion. Denne markant øgede optageevne oversættes direkte til en bedre forståelse af, hvordan hjerneneuroner og netværk interagerer for at skabe kompleks adfærd og sygdom. De fleste af de almindeligt anvendte højdensitetselektroder er baseret på et stift siliciumskaft, hvorpå flere optagekontakter (typisk lavet af platin, iridium, guld eller ledende polymerer) er indlejret. Der er flere væsentlige begrænsninger af siliciumbaserede prober i at oversætte dem til store hjerne- og især menneskelige applikationer [7] For det første er silicium skrøbeligt, hvilket gør elektroderne tilbøjelige til at bryde, hvilket gør dem risikable for menneskelige applikationer. Ydermere er siliciummikrofabrikationsprocessen upraktisk til fremstilling af store enheder, hvilket begrænser kommercielt tilgængelige sondelængde til omkring 20 mm, hvilket er for kort til de fleste kliniske anvendelser i den menneskelige hjerne. Ligeledes kræver forbindelsen mellem elektrodekontakterne og forforstærkeren i de aktuelt tilgængelige produkter en stift printplade, der er fastgjort til elektroden, som er svær at arbejde med, og som kræver, at forforstærkerne holdes meget tæt på hjernen. Selvom der er FDA-godkendte versioner af siliciumprober (dvs. Utah Array, der bruges til hjernemaskine-grænseflader), er disse applikationer begrænset til korte <2 mm lange prober, der bruges til overfladekortikale optagelser. De beskrevne iboende materiale- og procesbegrænsninger gør det usandsynligt, at siliciumbaserede probeteknologier vil give en klinisk anvendelig sonde til dybere steder i den menneskelige hjerne. Efterforskerne søgte derfor at bruge en ny form for oversættelig teknologi til klinisk brug.

Efterforskerne søger at teste en mere robust og pålidelig teknik til at optage et stort antal enkelte neuroner i den menneskelige hjerne. Diagnostic Biochips Inc. (Glen Burnie, MD) er en elektrodeproducent, der har udviklet en ny type elektrode, der består af et rustfrit stålskaft og en række polyimidbaserede højdensitetselektroder, der er indlejret på denne aksel. Denne type elektrodedesign har vist sig at være meget pålidelig til dybe hjernepenetrationer på op til 8 cm længde hos gnavere og ikke-menneskelige primater. Stålbæreren er yderst robust og undgår fuldstændigt de brudproblemer, der er forbundet med siliciumbaserede og andre højdensitetsprobedesigns. Tilsvarende er de polyimidbaserede elektroder et materiale, der er velkendt for ikke at være biotoksisk, hvilket er veltolereret og en del af adskillige i øjeblikket godkendte produkter fra FDA. DBC Deep Array-elektroden er forbundet direkte til en Intan (Los Angeles, CA) mikroprocessor monteret i den anden ende af akslen. Denne mikroprocessor genererer et digitalt signal, så en lang forbindelse kan udnyttes mellem mikroprocessoren og Intan-forstærkerenheden, der bruges til at optage dataene, uden tab af signal eller tilføjelse af støj. Denne funktion er afgørende for at forbedre patientsikkerheden og reducere eventuelle infektionsrisici under optagelse. Stål er stift og ikke udsat for brud som silicium. Derudover kan denne type elektrode gøres betydeligt længere, blot ved at bruge et længere skaft i rustfrit stål til at montere højdensitets polyimid-arrayet på. Mens de aktuelt fremstillede DBC dybe arrays, der anvendes i dyreforsøg, er 40-80 mm lange, er en længde på op til 300 mm let gennemførlig. Dette står i kontrast til den maksimale 10 -20 mm længde, der er opnåelig for siliciumbaserede og andre højdensitetssystemer. En længde på >100 mm er påkrævet for at sondere dybe hjernestrukturer, såsom de basale ganglier i den menneskelige hjerne, hvilket rutinemæssigt udføres i kliniske omgivelser. DBC-elektroden kan optage op til 1024 individuelle kanaler samtidigt. DBC-enhederne er blevet brugt med succes i ikke-menneskelige primater og har gennemgået den biokompatibilitet, cytotoksicitet, sterilisering og sikkerhedstest, der forventes til brug hos mennesker. Resultaterne af disse tests var alle beståede, og de resulterende rapporter er knyttet til denne protokol.