Suuritiheyksinen mikroelektrodi ihmisen neuronaaleihin tallennuksiin

Ihmisen aivojen toiminnan kirjaaminen monissa mittakaavassa on tärkeä työkalu kliinisessä lääketieteessä. Kyky tallentaa solunulkoisia toimintapotentiaalia, joka tunnetaan myös nimellä "single unit activity" (SUA), on tarjonnut perustavanlaatuisen käsityksen ihmisten ja monien muiden kuin ihmiseläinten hermosolujen toiminnan yksityiskohdista. Ihmisillä tekniikat solunulkoisten toimintapotentiaalien rekisteröimiseksi ovat suhteellisen rajallisia. Useiden yritysten valmistamat jäykät, teräväkärkiset anturit ovat FDA:n hyväksymiä, ja niitä käytetään rutiininomaisesti osana normaalia hoitoa useissa kirurgisissa toimenpiteissä, kuten syväaivostimulaatio (DBS) -laitteen implantoinnissa hermosolujen toiminnan alueiden tunnistamiseksi ja kliinisten elektrodien sijoittelun optimoimiseksi. Samaa tekniikkaa on käytetty ymmärtämään paremmin aivojen toimintaa ja sen sairauksien aiheuttamaa heikkenemistä ihmisillä. Lisäksi saatavilla on erilaisia ​​puolikroonisesti implantoituja mikrolankatekniikoita. Näitä elektrodeja käytetään yleisemmin potilailla, joilla on kohtaushäiriöitä, ja ne ovat antaneet käsityksen verkkokäyttäytymisestä, kuten mediaalisessa ohimolohkossa ja mediaalisessa otsalohkossa.

Eläintutkimuksessa käytettyjen nykyaikaisten elektrodien tallennusominaisuuksien ja tällä hetkellä kliinisesti ihmistestaukseen käytettävissä olevien ominaisuuksien välillä on kuitenkin edelleen valtava ero. Tyypillinen jäykkävartinen yksielektrodi, jota tällä hetkellä käytetään kliinisessä hoidossa, tallentaa missä tahansa 1-3 selvästi eristettyä neuronia kerrallaan. Sitä vastoin huippuluokan eläintutkimuksessa korkeamman tiheyden anturit, kuten neuropikselielektrodi [4-6], mahdollistavat nyt rutiininomaisesti satojen tai jopa tuhansien hermosolujen tallentamisen yhdelle aivoalueelle. Tämä huomattavasti lisääntynyt tallennuskyky tarkoittaa suoraan parempaa ymmärrystä siitä, kuinka aivojen neuronit ja verkostot ovat vuorovaikutuksessa monimutkaisten käyttäytymismallien ja sairauksien luomiseksi. Suurin osa yleisesti käytetyistä suuritiheyksistä elektrodeista perustuu jäykkään piiakseliin, johon on upotettu useita tallennuskoskettimia (jotka on tyypillisesti valmistettu platinasta, iridiumista, kullasta tai johtavista polymeereistä). Piipohjaisilla koettimilla on useita merkittäviä rajoituksia niiden siirtämisessä suuriin aivoihin ja erityisesti ihmisten sovelluksiin [7] Ensinnäkin pii on hauras, mikä tekee elektrodeista alttiita murtumaan, mikä tekee niistä riskialttiita ihmiskäyttöön. Lisäksi piin mikrovalmistusprosessi on epäkäytännöllinen suurten laitteiden valmistuksessa, mikä rajoittaa kaupallisesti saatavilla olevan anturin pituuden noin 20 mm:iin, mikä on liian lyhyt useimpiin kliinisiin sovelluksiin ihmisaivoissa. Myös elektrodien koskettimien ja esivahvistimen välinen yhteys tällä hetkellä saatavilla olevissa tuotteissa vaatii jäykän piirilevyn, joka on kiinnitetty elektrodiin, jonka kanssa on vaikea työskennellä ja joka edellyttää, että esivahvistimet on pidettävä hyvin lähellä aivot. Vaikka on olemassa FDA:n hyväksymiä silikonikoettimia (eli Utah Array, jota käytetään aivokoneiden liitäntöihin), nämä sovellukset rajoittuvat lyhyisiin < 2 mm pitkiin koettimiin, joita käytetään aivokuoren pintatallennuksiin. Kuvattujen materiaali- ja prosessirajoitusten vuoksi on epätodennäköistä, että piipohjaiset koetinteknologiat tarjoaisivat kliinisesti käyttökelpoisen anturin ihmisen aivojen syvemmille paikoille. Siksi tutkijat pyrkivät hyödyntämään uudenlaista käännettävää teknologiaa kliiniseen käyttöön.

Tutkijat pyrkivät testaamaan vankempaa ja luotettavampaa tekniikkaa suuren määrän yksittäisten hermosolujen tallentamiseksi ihmisen aivoissa. Diagnostic Biochips Inc. (Glen Burnie, MD) on elektrodien valmistaja, joka on kehittänyt uudentyyppisen elektrodin, joka koostuu ruostumattomasta teräksestä valmistetusta akselista ja joukosta polyimidipohjaisia ​​suuritiheyksisiä elektrodeja, jotka on upotettu tähän akseliin. Tämän tyyppinen elektrodirakenne on osoittautunut erittäin luotettavaksi jyrsijöillä ja kädellisillä jopa 8 cm:n pituisissa syvässä aivoissa. Teräskannatin on erittäin vankka, joten se välttää kokonaan piipohjaisiin ja muihin suuritiheyksisiin anturimalleihin liittyvät murtumisongelmat. Samoin polyimidipohjaiset elektrodit ovat materiaalia, jonka tiedetään olevan biotoksinen, joka on hyvin siedetty ja kuuluu useisiin tällä hetkellä FDA:n hyväksymiin tuotteisiin. DBC Deep Array -elektrodi on kytketty suoraan Intanin (Los Angeles, CA) mikroprosessoriin, joka on asennettu akselin toiseen päähän. Tämä mikroprosessori muodostaa digitaalisen signaalin, jotta mikroprosessorin ja tiedon tallentamiseen käytettävän Intan-vahvistinyksikön välillä voidaan hyödyntää pitkää yhteyttä ilman signaalihäviöitä tai kohinaa. Tämä ominaisuus on ratkaisevan tärkeä potilasturvallisuuden parantamiseksi ja mahdollisten infektioriskien vähentämiseksi tallennuksen aikana. Teräs on jäykkää, eikä se ole herkkä murtumaan kuten pii. Lisäksi tämän tyyppisestä elektrodista voidaan tehdä huomattavasti pidempi, yksinkertaisesti käyttämällä pidempää ruostumattomasta teräksestä valmistettua akselia korkeatiheyksisen polyimidiryhmän asentamiseen. Eläintutkimuksessa käytettävät tällä hetkellä valmistetut DBC-syvät ryhmät ovat 40-80 mm pitkiä, mutta jopa 300 mm:n pituus on helposti toteutettavissa. Tämä on ristiriidassa piipohjaisissa ja muissa suuritiheyksisissä järjestelmissä saavutettavissa olevan 10-20 mm:n maksimipituuden kanssa. Yli 100 mm:n pituus tarvitaan ihmisen aivojen syvien rakenteiden, kuten tyviganglioiden, tutkimiseen, mikä tehdään rutiininomaisesti kliinisissä olosuhteissa. DBC-elektrodi voi tallentaa jopa 1024 yksittäistä kanavaa samanaikaisesti. DBC-laitteita on käytetty menestyksekkäästi muilla kädellisillä, ja niille on suoritettu bioyhteensopivuus-, sytotoksisuus-, sterilointi- ja turvallisuustestit, joita odotetaan käytettäessä ihmisillä. Kaikki näiden testien tulokset hyväksyttiin, ja tuloksena saadut raportit on liitetty tähän pöytäkirjaan.