인간 신경 기록을 위한 고밀도 미세 전극

다양한 척도에서 인간의 뇌 활동을 기록하는 것은 임상 의학에서 중요한 도구입니다. "단일 단위 활동"(SUA)으로 알려진 세포외 활동 전위를 기록하는 능력은 인간뿐만 아니라 다양한 비인간 동물의 신경 기능 세부 사항에 대한 근본적인 통찰력을 제공했습니다. 인간에서 세포외 활동 전위를 기록하는 기술은 비교적 제한적입니다. 여러 회사에서 제조한 단단하고 날카로운 끝 프로브는 FDA 승인을 받았으며 신경 활동 영역을 식별하고 임상 전극의 배치를 최적화하기 위해 심부 뇌 자극(DBS) 장치 이식과 같은 다양한 수술 절차 중에 표준 치료의 일부로 일상적으로 사용됩니다. 인간의 질병에 의한 뇌 기능과 손상을 더 잘 이해하기 위해 동일한 기술이 사용되었습니다. 또한 다양한 반만성 이식 마이크로와이어 기술을 사용할 수 있습니다. 이 전극은 발작 장애가 있는 환자에게 더 일반적으로 사용되며 내측 측두엽 및 내측 전두엽과 같은 네트워크 동작에 대한 통찰력을 허용했습니다.

그러나 동물 연구에 사용되는 최신 전극의 기록 기능과 현재 임상적으로 인간 테스트에 사용할 수 있는 것 사이에는 엄청난 격차가 남아 있습니다. 현재 임상 치료에 사용되는 일반적인 강성 샤프트 단일 전극은 한 번에 1-3개의 뚜렷하게 분리된 뉴런을 기록합니다. 대조적으로, 최첨단 동물 연구에서 Neuropixel 전극[4-6]과 같은 고밀도 프로브는 이제 일상적으로 단일 뇌 영역에서 수백 또는 수천 개의 뉴런을 기록할 수 있습니다. 이 현저하게 향상된 기록 기능은 뇌 뉴런과 네트워크가 상호 작용하여 복잡한 행동과 질병을 생성하는 방식을 더 잘 이해하는 것으로 직접 변환됩니다. 일반적으로 사용되는 대부분의 고밀도 전극은 여러 기록 접점(일반적으로 백금, 이리듐, 금 또는 전도성 폴리머로 만들어짐)이 내장된 단단한 실리콘 샤프트를 기반으로 합니다. 실리콘 기반 프로브를 큰 뇌, 특히 인간의 응용 분야로 변환하는 데 몇 가지 중요한 제한 사항이 있습니다. 첫째, 실리콘은 깨지기 쉬워 전극이 깨지기 쉬워 인간 응용 분야에 위험합니다. 또한 실리콘 미세 가공 공정은 대형 장치를 만드는 데 비실용적이어서 상업적으로 이용 가능한 프로브 길이가 약 20mm로 제한되어 인간 뇌의 대부분의 임상 적용에 너무 짧습니다. 또한 현재 사용되는 제품의 전극접점과 전치증폭기의 연결은 전극에 부착된 강성회로기판이 필요하여 작업이 어렵고 전치증폭기를 아주 가까이에 두어야 합니다. 뇌. FDA 승인 버전의 실리콘 프로브(즉, 뇌 기계 인터페이스에 사용되는 Utah Array)가 있지만 이러한 응용 프로그램은 표면 피질 기록에 사용되는 짧은 <2mm 길이 프로브로 제한됩니다. 설명된 고유한 재료 및 프로세스 제한으로 인해 실리콘 기반 프로브 기술이 인간 뇌의 더 깊은 위치에 대해 임상적으로 사용 가능한 프로브를 제공할 가능성은 낮습니다. 따라서 연구자들은 임상 사용을 위해 새로운 종류의 번역 가능한 기술을 활용하고자 했습니다.

연구자들은 인간 두뇌에서 많은 수의 단일 뉴런을 기록하기 위한 보다 강력하고 신뢰할 수 있는 기술을 테스트하려고 합니다. Diagnostic Biochips Inc.(Glen Burnie, MD)는 스테인리스 스틸 샤프트와 이 샤프트에 내장된 폴리이미드 기반 고밀도 전극 어레이로 구성된 새로운 유형의 전극을 개발한 전극 제조업체입니다. 이러한 유형의 전극 설계는 설치류 및 비인간 영장류에서 최대 8cm 길이의 깊은 뇌 침투에 대해 매우 신뢰할 수 있는 것으로 입증되었습니다. 강철 캐리어는 매우 견고하여 실리콘 기반 및 기타 고밀도 프로브 설계와 관련된 파손 문제를 완전히 방지합니다. 유사하게, 폴리이미드 기반 전극은 생체독성이 없는 것으로 잘 알려진 물질로, 내약성이 우수하고 현재 FDA 승인을 받은 수많은 제품의 일부입니다. DBC Deep Array 전극은 샤프트의 다른 쪽 끝에 장착된 Intan(Los Angeles, CA) 마이크로프로세서에 직접 연결됩니다. 이 마이크로프로세서는 디지털 신호를 생성하므로 마이크로프로세서와 데이터를 기록하는 데 사용되는 Intan 증폭기 장치 간에 신호 손실이나 잡음 추가 없이 긴 연결을 활용할 수 있습니다. 이 기능은 환자의 안전을 개선하고 기록 중 감염 위험을 줄이는 데 매우 중요합니다. 강철은 단단하고 실리콘처럼 깨지기 쉽지 않습니다. 또한 이러한 유형의 전극은 고밀도 폴리이미드 어레이를 장착하기 위해 더 긴 스테인리스 스틸 샤프트를 사용하기만 하면 훨씬 더 길게 만들 수 있습니다. 동물 연구에 사용되는 현재 제조된 DBC 딥 어레이는 길이가 40-80mm이지만 최대 300mm 길이도 쉽게 실현 가능합니다. 이는 실리콘 기반 및 기타 고밀도 시스템에서 달성할 수 있는 최대 10-20mm 길이와 대조됩니다. 임상 환경에서 일상적으로 수행되는 인간 뇌의 기저핵과 같은 심부 뇌 구조를 조사하려면 >100mm의 길이가 필요합니다. DBC 전극은 최대 1024개의 개별 채널을 동시에 기록할 수 있습니다. DBC 장치는 비인간 영장류에서 성공적으로 사용되었으며 인간에서 사용할 것으로 예상되는 생체 적합성, 세포 독성, 멸균 및 안전성 테스트를 거쳤습니다. 이러한 테스트의 결과는 모두 통과되었으며 결과 보고서는 이 프로토콜에 첨부됩니다.