Un microelettrodo ad alta densità per registrazioni neuronali umane

La registrazione dell'attività del cervello umano a molte scale è uno strumento importante nella medicina clinica. La capacità di registrare i potenziali d'azione extracellulari, altrimenti noti come "single unit activity" (SUA), ha fornito informazioni fondamentali sui dettagli della funzione neuronale negli esseri umani e in una varietà di animali non umani. Nell'uomo le tecniche per la registrazione dei potenziali d'azione extracellulari sono relativamente limitate. Le sonde rigide con punta affilata prodotte da diverse aziende sono approvate dalla FDA e utilizzate di routine come parte dello standard di cura durante una varietà di procedure chirurgiche come l'impianto di dispositivi di stimolazione cerebrale profonda (DBS) per identificare le aree di attività neuronale e ottimizzare il posizionamento degli elettrodi clinici. La stessa tecnica è stata utilizzata per comprendere meglio la funzione cerebrale e la sua compromissione dovuta a malattie negli esseri umani. Inoltre, è disponibile una varietà di tecniche di microfili impiantati in modo semicronico. Questi elettrodi sono più comunemente usati nei pazienti con disturbi convulsivi e hanno permesso di comprendere il comportamento della rete come nel lobo temporale mediale e nel lobo frontale mediale.

Tuttavia rimane un enorme divario tra le capacità di registrazione dei moderni elettrodi utilizzati nella ricerca sugli animali e ciò che è attualmente clinicamente disponibile per i test sull'uomo. Un tipico elettrodo singolo ad albero rigido attualmente utilizzato nella cura clinica registrerà ovunque da 1-3 neuroni distintamente isolati alla volta. Al contrario, nella ricerca sugli animali allo stato dell'arte, sonde a densità più elevata come l'elettrodo Neuropixel [4-6] ora consentono di routine la registrazione di centinaia o addirittura migliaia di neuroni in una singola regione del cervello. Questa capacità di registrazione notevolmente aumentata si traduce direttamente in una migliore comprensione di come i neuroni e le reti cerebrali interagiscono per creare comportamenti complessi e malattie. La maggior parte degli elettrodi ad alta densità comunemente usati si basano su un albero rigido in silicio su cui sono incorporati più contatti di registrazione (tipicamente realizzati in platino, iridio, oro o polimeri conduttivi). Esistono diverse limitazioni significative delle sonde a base di silicio nel tradurle in applicazioni cerebrali di grandi dimensioni, e in particolare umane [7] In primo luogo, il silicio è fragile, il che rende gli elettrodi soggetti a fratture, il che li rende rischiosi per le applicazioni umane. Inoltre, il processo di microfabbricazione del silicio non è pratico per realizzare dispositivi di grandi dimensioni, limitando la lunghezza della sonda disponibile in commercio a circa 20 mm, che è troppo corta per la maggior parte delle applicazioni cliniche nel cervello umano. Inoltre, la connessione tra i contatti dell'elettrodo e il preamplificatore nei prodotti attualmente disponibili richiede un circuito rigido fissato all'elettrodo, con cui è difficile lavorare e che richiede che i preamplificatori siano tenuti molto vicini a il cervello. Sebbene esistano versioni approvate dalla FDA di sonde al silicio (ovvero lo Utah Array utilizzato per le interfacce della macchina cerebrale), queste applicazioni sono limitate a sonde corte <2 mm di lunghezza utilizzate per le registrazioni corticali superficiali. I limiti intrinseci del materiale e del processo descritti rendono improbabile che le tecnologie delle sonde a base di silicio forniscano una sonda utilizzabile clinicamente per posizioni più profonde nel cervello umano. I ricercatori, quindi, hanno cercato di utilizzare un nuovo tipo di tecnologia traducibile per uso clinico.

I ricercatori cercano di testare una tecnica più solida e affidabile per registrare un gran numero di singoli neuroni nel cervello umano. Diagnostic Biochips Inc. (Glen Burnie, MD) è un produttore di elettrodi che ha sviluppato un nuovo tipo di elettrodo costituito da uno stelo in acciaio inossidabile e da una serie di elettrodi ad alta densità a base di poliimmide incorporati su questo stelo. Questo tipo di design dell'elettrodo si è dimostrato altamente affidabile per penetrazioni cerebrali profonde fino a 8 cm di lunghezza nei roditori e nei primati non umani. Il supporto in acciaio è estremamente robusto, evitando completamente i problemi di rottura associati alle sonde a base di silicio e ad altri design ad alta densità. Allo stesso modo, gli elettrodi a base di poliimmide sono un materiale notoriamente non biotossico, ben tollerato e parte di numerosi prodotti attualmente approvati dalla FDA. L'elettrodo DBC Deep Array è collegato direttamente a un microprocessore Intan (Los Angeles, CA) montato all'altra estremità dell'albero. Questo microprocessore genera un segnale digitale, in modo che possa essere utilizzata una lunga connessione tra il microprocessore e l'amplificatore Intan utilizzato per registrare i dati, senza alcuna perdita di segnale o aggiunta di rumore. Questa caratteristica è fondamentale per migliorare la sicurezza del paziente e ridurre eventuali rischi di infezione durante la registrazione. L'acciaio è rigido e non soggetto a fratture come il silicio. Inoltre, questo tipo di elettrodo può essere notevolmente più lungo, semplicemente utilizzando un albero in acciaio inossidabile più lungo su cui montare l'array di poliimmide ad alta densità. Mentre gli array profondi DBC attualmente prodotti utilizzati nella ricerca sugli animali hanno una lunghezza di 40-80 mm, è facilmente realizzabile una lunghezza fino a 300 mm. Ciò contrasta con la lunghezza massima di 10-20 mm ottenibile per sistemi a base di silicio e altri sistemi ad alta densità. È necessaria una lunghezza >100 mm per sondare strutture cerebrali profonde come i gangli della base nel cervello umano, operazione che viene eseguita abitualmente in ambito clinico. L'elettrodo DBC può registrare fino a 1024 singoli canali contemporaneamente. I dispositivi DBC sono stati utilizzati con successo in primati non umani e sono stati sottoposti ai test di biocompatibilità, citotossicità, sterilizzazione e sicurezza previsti per l'uso nell'uomo. I risultati di questi test sono stati tutti positivi e i rapporti risultanti sono allegati a questo protocollo.