Een micro-elektrode met hoge dichtheid voor opnames van menselijke neuronen

Het vastleggen van menselijke hersenactiviteit op vele schalen is een belangrijk hulpmiddel in de klinische geneeskunde. Het vermogen om extracellulaire actiepotentialen vast te leggen, ook wel bekend als een "single unit activity" (SUA), heeft fundamenteel inzicht gegeven in de details van de neuronale functie bij mensen en bij een verscheidenheid aan niet-menselijke dieren. Bij mensen zijn de technieken voor het registreren van extracellulaire actiepotentialen relatief beperkt. Stijve sondes met scherpe punt die door verschillende bedrijven zijn vervaardigd, zijn door de FDA goedgekeurd en worden routinematig gebruikt als onderdeel van de standaardzorg tijdens een verscheidenheid aan chirurgische procedures, zoals implantatie van apparaten voor diepe hersenstimulatie (DBS) om gebieden met neuronale activiteit te identificeren en de plaatsing van klinische elektroden te optimaliseren. Dezelfde techniek is gebruikt om de hersenfunctie en de verslechtering ervan door ziekte bij mensen beter te begrijpen. Daarnaast zijn er verschillende semi-chronisch geïmplanteerde microdraadtechnieken beschikbaar. Deze elektroden worden vaker gebruikt bij patiënten met convulsies en hebben inzicht gegeven in netwerkgedrag, zoals in de mediale temporale kwab en de mediale frontale kwab.

Er blijft echter een enorme kloof tussen de opnamemogelijkheden van moderne elektroden die worden gebruikt in dieronderzoek en wat momenteel klinisch beschikbaar is voor testen op mensen. Een typische enkelvoudige elektrode met stijve schacht die momenteel in de klinische zorg wordt gebruikt, registreert overal 1-3 duidelijk geïsoleerde neuronen tegelijk. Bij geavanceerd dieronderzoek daarentegen, maken sondes met een hogere dichtheid, zoals de Neuropixel-elektrode [4-6] het nu routinematig mogelijk om honderden of zelfs duizenden neuronen in een enkel hersengebied te registreren. Deze duidelijk verhoogde opnamecapaciteit vertaalt zich direct in een beter begrip van hoe hersenneuronen en netwerken op elkaar inwerken om complex gedrag en ziekte te creëren. De meeste veelgebruikte elektroden met hoge dichtheid zijn gebaseerd op een stijve siliciumschacht waarop meerdere opnamecontacten (meestal gemaakt van platina, iridium, goud of geleidende polymeren) zijn ingebed. Er zijn verschillende belangrijke beperkingen van op silicium gebaseerde sondes bij het vertalen ervan naar grote hersentoepassingen, en met name menselijke toepassingen [7] Ten eerste is silicium kwetsbaar, waardoor de elektroden vatbaar zijn voor breuk, wat ze riskant maakt voor menselijke toepassingen. Bovendien is het microfabricageproces van silicium onpraktisch voor het maken van grote apparaten, waardoor de in de handel verkrijgbare sondelengte wordt beperkt tot ongeveer 20 mm, wat te kort is voor de meeste klinische toepassingen in het menselijk brein. Ook vereist de verbinding tussen de elektrodecontacten en de voorversterker in de momenteel verkrijgbare producten een stijve printplaat die op de elektrode is bevestigd, wat moeilijk is om mee te werken en waarvoor de voorversterkers zeer dicht bij elkaar moeten worden gehouden. de hersenen. Hoewel er door de FDA goedgekeurde versies van siliciumsondes zijn (d.w.z. de Utah Array die wordt gebruikt voor hersenmachine-interfaces), zijn deze toepassingen beperkt tot korte <2 mm lange sondes die worden gebruikt voor oppervlaktecorticale opnames. De beschreven inherente materiaal- en procesbeperkingen maken het onwaarschijnlijk dat op silicium gebaseerde sondetechnologieën een klinisch bruikbare sonde zullen bieden voor diepere locaties in het menselijk brein. De onderzoekers probeerden daarom een ​​nieuw soort vertaalbare technologie voor klinisch gebruik te gebruiken.

De onderzoekers proberen een robuustere en betrouwbaardere techniek te testen voor het opnemen van grote aantallen afzonderlijke neuronen in het menselijk brein. Diagnostic Biochips Inc. (Glen Burnie, MD) is een elektrodefabrikant die een nieuw type elektrode heeft ontwikkeld dat bestaat uit een roestvrijstalen schacht en een reeks op polyimide gebaseerde elektroden met hoge dichtheid die op deze schacht zijn ingebed. Dit type elektrodeontwerp is zeer betrouwbaar gebleken voor diepe hersenpenetraties tot een lengte van 8 cm bij knaagdieren en niet-menselijke primaten. De stalen drager is zeer robuust en vermijdt volledig de breukproblemen die gepaard gaan met op silicium gebaseerde en andere sondeontwerpen met hoge dichtheid. Evenzo zijn de op polyimide gebaseerde elektroden een materiaal waarvan bekend is dat het niet biotoxisch is, dat goed wordt verdragen en deel uitmaakt van talrijke momenteel door de FDA goedgekeurde producten. De DBC Deep Array-elektrode is rechtstreeks aangesloten op een microprocessor van Intan (Los Angeles, CA) die aan het andere uiteinde van de schacht is gemonteerd. Deze microprocessor genereert een digitaal signaal, zodat een lange verbinding kan worden gebruikt tussen de microprocessor en de Intan-versterkereenheid die wordt gebruikt om de gegevens op te nemen, zonder signaalverlies of toevoeging van ruis. Deze functie is cruciaal om de patiëntveiligheid te verbeteren en eventuele infectierisico's tijdens de opname te verminderen. Staal is stijf en niet vatbaar voor breuk zoals silicium. Bovendien kan dit type elektrode aanzienlijk langer worden gemaakt door simpelweg een langere roestvrijstalen schacht te gebruiken om de array van polyimide met hoge dichtheid op te monteren. Terwijl de momenteel vervaardigde DBC diepe arrays die in dieronderzoek worden gebruikt een lengte van 40-80 mm hebben, is een lengte tot 300 mm gemakkelijk haalbaar. Dit staat in contrast met de maximale lengte van 10 -20 mm die haalbaar is voor op silicium gebaseerde en andere systemen met hoge dichtheid. Een lengte van> 100 mm is vereist voor het onderzoeken van diepe hersenstructuren zoals de basale ganglia in het menselijk brein, wat routinematig wordt gedaan in klinische omgevingen. De DBC-elektrode kan tot 1024 individuele kanalen tegelijk opnemen. De DBC-apparaten zijn met succes gebruikt bij niet-menselijke primaten en hebben de biocompatibiliteits-, cytotoxiciteits-, sterilisatie- en veiligheidstests ondergaan die verwacht worden voor gebruik bij mensen. De resultaten van deze tests waren allemaal geslaagd en de resulterende rapporten zijn aan dit protocol gehecht.