En mikroelektrode med høy tetthet for menneskelige nevronale opptak

Registrering av menneskelig hjerneaktivitet i mange skalaer er et viktig verktøy i klinisk medisin. Evnen til å registrere ekstracellulære handlingspotensialer, ellers kjent som en "single unit activity" (SUA) har gitt grunnleggende innsikt i detaljene i nevronal funksjon hos mennesker så vel som en rekke ikke-menneskelige dyr. Hos mennesker er teknikkene for registrering av ekstracellulære handlingspotensialer relativt begrensede. Stive, skarpe prober produsert av flere selskaper er FDA-godkjent og brukes rutinemessig som en del av standardbehandlingen under en rekke kirurgiske prosedyrer som implantasjon av enheter med dyp hjernestimulering (DBS) for å identifisere områder med neuronal aktivitet og optimalisere plassering av kliniske elektroder. Den samme teknikken har blitt brukt for å bedre forstå hjernens funksjon og dens svekkelse av sykdom hos mennesker. I tillegg er en rekke semikronisk implanterte mikrotrådteknikker tilgjengelig. Disse elektrodene er mer vanlig brukt hos pasienter med anfallsforstyrrelser og har tillatt innsikt i nettverksatferd som i medial tinninglapp og medial frontallapp.

Det er imidlertid fortsatt et enormt gap mellom opptaksmulighetene til moderne elektroder som brukes i dyreforskning, og det som for tiden er klinisk tilgjengelig for testing på mennesker. En typisk enkelt elektrode med stiv skaft som for tiden brukes i klinisk behandling vil registrere alt fra 1-3 tydelig isolerte nevroner om gangen. I motsetning til dette, i state-of-the-art dyreforskning, tillater prober med høyere tetthet som Neuropixel-elektroden [4-6] rutinemessig opptak av hundrevis eller til og med tusenvis av nevroner i en enkelt hjerneregion. Denne markant økte opptaksevnen oversetter direkte til en bedre forståelse av hvordan hjerneneuroner og nettverk samhandler for å skape kompleks atferd og sykdom. De fleste av de ofte brukte elektrodene med høy tetthet er basert på et stivt silisiumskaft som flere opptakskontakter (vanligvis laget av platina, iridium, gull eller ledende polymerer) er innebygd på. Det er flere betydelige begrensninger for silisiumbaserte prober i å oversette dem til store hjerne-, og spesielt menneskelige, applikasjoner [7] For det første er silisium skjøre, noe som gjør elektrodene utsatt for brudd, noe som gjør dem risikable for menneskelige applikasjoner. Videre er silisiummikrofabrikasjonsprosessen upraktisk for å lage store enheter, og begrenser den kommersielt tilgjengelige sondelengden til rundt 20 mm, noe som er for kort for de fleste kliniske bruksområder i den menneskelige hjernen. Dessuten krever forbindelsen mellom elektrodekontaktene og forforsterkeren i de tilgjengelige produktene et stivt kretskort som er festet til elektroden, som er vanskelig å jobbe med og som krever at forforsterkerne holdes svært nærme hjernen. Selv om det er FDA-godkjente versjoner av silisiumprober (dvs. Utah Array som brukes til hjernemaskingrensesnitt), er disse applikasjonene begrenset til korte <2 mm lange prober som brukes til kortikale overflateopptak. De iboende materiale- og prosessbegrensningene som er beskrevet gjør det usannsynlig at silisiumbaserte probeteknologier vil gi en klinisk brukbar sonde for dypere steder i den menneskelige hjernen. Etterforskerne forsøkte derfor å bruke en ny type oversettbar teknologi for klinisk bruk.

Etterforskerne prøver å teste en mer robust og pålitelig teknikk for å registrere et stort antall enkeltnevroner i den menneskelige hjernen. Diagnostic Biochips Inc. (Glen Burnie, MD) er en elektrodeprodusent som har utviklet en ny type elektrode som består av et rustfritt stålskaft og en rekke polyimidbaserte høydensitetselektroder som er innebygd på denne akselen. Denne typen elektrodedesign har vist seg å være svært pålitelig for dype hjernepenetrasjoner på opptil 8 cm lengde hos gnagere og ikke-menneskelige primater. Stålbæreren er svært robust, og unngår fullstendig bruddproblemene forbundet med silisiumbaserte og andre probedesign med høy tetthet. Tilsvarende er de polyimidbaserte elektrodene et materiale som er velkjent for ikke å være biotoksisk, som tolereres godt og er en del av en rekke FDA-godkjente produkter. DBC Deep Array-elektroden er koblet direkte til en Intan (Los Angeles, CA) mikroprosessor montert i den andre enden av skaftet. Denne mikroprosessoren genererer et digitalt signal, slik at en lang forbindelse kan benyttes mellom mikroprosessoren og Intan-forsterkerenheten som brukes til å registrere dataene, uten tap av signal eller tillegg av støy. Denne funksjonen er avgjørende for å forbedre pasientsikkerheten og redusere eventuell infeksjonsrisiko under registrering. Stål er stivt, og ikke utsatt for brudd som silisium. I tillegg kan denne typen elektrode gjøres betydelig lengre, ganske enkelt ved å bruke en lengre aksel i rustfritt stål for å montere polyimid-arrayen med høy tetthet. Mens de for tiden produserte DBC dype arrayene som brukes i dyreforskning er 40-80 mm lange, er en lengde på opptil 300 mm lett mulig. Dette står i kontrast til den maksimale lengden på 10-20 mm som er oppnåelig for silisiumbaserte og andre systemer med høy tetthet. En lengde på >100 mm er nødvendig for å sondere dype hjernestrukturer som basalgangliene i den menneskelige hjernen, noe som rutinemessig gjøres i kliniske omgivelser. DBC-elektroden kan ta opp opptil 1024 individuelle kanaler samtidig. DBC-enhetene har blitt brukt med suksess i ikke-menneskelige primater og har gjennomgått biokompatibilitet, cytotoksisitet, sterilisering og sikkerhetstesting som forventes for bruk hos mennesker. Resultatene av disse testene var alle bestått, og de resulterende rapportene er vedlagt denne protokollen.