Eine hochdichte Mikroelektrode für menschliche neuronale Aufzeichnungen

Die Aufzeichnung der menschlichen Gehirnaktivität auf vielen Ebenen ist ein wichtiges Instrument in der klinischen Medizin. Die Fähigkeit, extrazelluläre Aktionspotentiale aufzuzeichnen, auch bekannt als „Single Unit Activity“ (SUA), hat grundlegende Einblicke in die Details der neuronalen Funktion beim Menschen sowie bei einer Vielzahl nichtmenschlicher Tiere ermöglicht. Beim Menschen sind die Techniken zur Aufzeichnung extrazellulärer Aktionspotentiale relativ begrenzt. Von mehreren Unternehmen hergestellte starre Sonden mit scharfer Spitze sind von der FDA zugelassen und werden routinemäßig als Teil der Standardversorgung bei verschiedenen chirurgischen Eingriffen wie der Implantation von Geräten zur Tiefenhirnstimulation (DBS) verwendet, um Bereiche neuronaler Aktivität zu identifizieren und die Platzierung klinischer Elektroden zu optimieren. Die gleiche Technik wurde verwendet, um die Gehirnfunktion und ihre Beeinträchtigung durch Krankheiten beim Menschen besser zu verstehen. Darüber hinaus stehen verschiedene Techniken zur semichronischen Implantation von Mikrodrähten zur Verfügung. Diese Elektroden werden häufiger bei Patienten mit Anfallsleiden eingesetzt und haben Einblicke in das Netzwerkverhalten beispielsweise im medialen Temporallappen und im medialen Frontallappen ermöglicht.

Es besteht jedoch weiterhin eine enorme Lücke zwischen den Aufzeichnungsfähigkeiten moderner Elektroden, die in der Tierforschung verwendet werden, und dem, was derzeit für Tests am Menschen klinisch verfügbar ist. Eine typische Einzelelektrode mit starrem Schaft, die derzeit in der klinischen Pflege verwendet wird, kann jeweils ein bis drei deutlich isolierte Neuronen aufzeichnen. Im Gegensatz dazu ermöglichen in der modernen Tierforschung mittlerweile Sonden mit höherer Dichte wie die Neuropixel-Elektrode [4-6] routinemäßig die Aufzeichnung von Hunderten oder sogar Tausenden von Neuronen in einer einzelnen Gehirnregion. Diese deutlich erhöhte Aufzeichnungsfähigkeit führt direkt zu einem besseren Verständnis darüber, wie Gehirnneuronen und Netzwerke interagieren, um komplexe Verhaltensweisen und Krankheiten hervorzurufen. Die meisten der üblicherweise verwendeten hochdichten Elektroden basieren auf einem starren Siliziumschaft, in den mehrere Aufzeichnungskontakte (typischerweise aus Platin, Iridium, Gold oder leitfähigen Polymeren) eingebettet sind. Es gibt mehrere erhebliche Einschränkungen von Sonden auf Siliziumbasis bei der Übertragung auf Anwendungen im großen Gehirn und insbesondere beim Menschen. [7] Erstens ist Silizium zerbrechlich, wodurch die Elektroden anfällig für Brüche sind, was sie für Anwendungen am Menschen riskant macht. Darüber hinaus ist das Silizium-Mikrofabrikationsverfahren für die Herstellung großer Geräte unpraktisch, da die im Handel erhältliche Sondenlänge auf etwa 20 mm begrenzt ist, was für die meisten klinischen Anwendungen im menschlichen Gehirn zu kurz ist. Außerdem erfordert die Verbindung zwischen den Elektrodenkontakten und dem Vorverstärker in den derzeit verfügbaren Produkten eine starre Leiterplatte, die an der Elektrode befestigt wird, was schwierig zu handhaben ist und erfordert, dass die Vorverstärker sehr nahe beieinander gehalten werden das Gehirn. Zwar gibt es von der FDA zugelassene Versionen von Silikonsonden (z. B. das Utah Array für Gehirn-Maschine-Schnittstellen), diese Anwendungen sind jedoch auf kurze <2 mm lange Sonden beschränkt, die für kortikale Oberflächenaufzeichnungen verwendet werden. Aufgrund der beschriebenen inhärenten Material- und Prozessbeschränkungen ist es unwahrscheinlich, dass siliziumbasierte Sondentechnologien eine klinisch einsetzbare Sonde für tiefere Bereiche des menschlichen Gehirns bereitstellen werden. Die Forscher versuchten daher, eine neue Art übersetzbarer Technologie für den klinischen Einsatz zu nutzen.

Die Forscher wollen eine robustere und zuverlässigere Technik zur Aufzeichnung einer großen Anzahl einzelner Neuronen im menschlichen Gehirn testen. Diagnostic Biochips Inc. (Glen Burnie, MD) ist ein Elektrodenhersteller, der einen neuen Elektrodentyp entwickelt hat, der aus einem Edelstahlschaft und einer Reihe hochdichter Elektroden auf Polyimidbasis besteht, die in diesen Schaft eingebettet sind. Diese Art von Elektrodendesign hat sich bei tiefen Hirnpenetrationen von bis zu 8 cm Länge bei Nagetieren und nichtmenschlichen Primaten als äußerst zuverlässig erwiesen. Der Stahlträger ist äußerst robust und vermeidet die Bruchprobleme, die mit siliziumbasierten und anderen Sondenkonstruktionen mit hoher Dichte verbunden sind, vollständig. Ebenso handelt es sich bei den Elektroden auf Polyimidbasis um ein Material, das bekanntermaßen nicht biotoxisch ist, gut verträglich ist und Bestandteil zahlreicher derzeit von der FDA zugelassener Produkte ist. Die DBC Deep Array-Elektrode ist direkt mit einem Mikroprozessor von Intan (Los Angeles, CA) verbunden, der am anderen Ende des Schafts montiert ist. Dieser Mikroprozessor erzeugt ein digitales Signal, so dass eine lange Verbindung zwischen dem Mikroprozessor und der Intan-Verstärkereinheit zum Aufzeichnen der Daten ohne Signalverlust oder zusätzliches Rauschen genutzt werden kann. Diese Funktion ist von entscheidender Bedeutung, um die Patientensicherheit zu verbessern und etwaige Infektionsrisiken während der Aufzeichnung zu reduzieren. Stahl ist steif und im Gegensatz zu Silizium nicht anfällig für Brüche. Darüber hinaus kann dieser Elektrodentyp deutlich länger gemacht werden, indem einfach ein längerer Edelstahlschaft verwendet wird, auf dem das hochdichte Polyimid-Array montiert wird. Während die derzeit hergestellten DBC-Deep-Arrays für die Tierforschung eine Länge von 40–80 mm haben, ist eine Länge von bis zu 300 mm problemlos realisierbar. Dies steht im Gegensatz zu der maximalen Länge von 10–20 mm, die für siliziumbasierte und andere Systeme mit hoher Dichte erreichbar ist. Für die Untersuchung tiefer Hirnstrukturen wie der Basalganglien im menschlichen Gehirn, was im klinischen Umfeld routinemäßig durchgeführt wird, ist eine Länge von >100 mm erforderlich. Die DBC-Elektrode kann bis zu 1024 einzelne Kanäle gleichzeitig aufzeichnen. Die DBC-Geräte wurden erfolgreich bei nichtmenschlichen Primaten eingesetzt und wurden den für die Verwendung beim Menschen erwarteten Biokompatibilitäts-, Zytotoxizitäts-, Sterilisations- und Sicherheitstests unterzogen. Die Ergebnisse dieser Tests waren allesamt bestanden und die daraus resultierenden Berichte sind diesem Protokoll beigefügt.