Mikroelektroda o dużej gęstości do nagrań ludzkich neuronów

Rejestracja aktywności ludzkiego mózgu w wielu skalach jest ważnym narzędziem w medycynie klinicznej. Zdolność do rejestrowania pozakomórkowych potencjałów czynnościowych, inaczej określanych jako „aktywność pojedynczej jednostki” (SUA), dostarczyła fundamentalnych informacji na temat szczegółów funkcji neuronów u ludzi, a także u różnych zwierząt innych niż ludzie. U ludzi techniki rejestrowania zewnątrzkomórkowych potencjałów czynnościowych są stosunkowo ograniczone. Sztywne sondy z ostrymi końcówkami produkowane przez kilka firm są zatwierdzone przez FDA i rutynowo stosowane jako element standardowej opieki podczas różnych zabiegów chirurgicznych, takich jak wszczepianie urządzenia do głębokiej stymulacji mózgu (DBS) w celu identyfikacji obszarów aktywności neuronów i optymalizacji rozmieszczenia elektrod klinicznych. Ta sama technika została wykorzystana do lepszego zrozumienia funkcji mózgu i jego upośledzenia przez choroby u ludzi. Ponadto dostępnych jest wiele technik półprzewlekłego wszczepiania mikroprzewodów. Elektrody te są częściej stosowane u pacjentów z zaburzeniami napadowymi i umożliwiły wgląd w zachowanie sieci, na przykład w przyśrodkowym płacie skroniowym i przyśrodkowym płacie czołowym.

Istnieje jednak ogromna przepaść między możliwościami rejestracyjnymi nowoczesnych elektrod stosowanych w badaniach na zwierzętach a tym, co jest obecnie dostępne klinicznie do testów na ludziach. Typowa pojedyncza elektroda ze sztywnym trzonkiem stosowana obecnie w opiece klinicznej rejestruje jednocześnie od 1 do 3 wyraźnie izolowanych neuronów. W przeciwieństwie do tego, w najnowocześniejszych badaniach na zwierzętach sondy o większej gęstości, takie jak elektroda Neuropixel [4-6], rutynowo umożliwiają obecnie rejestrację setek, a nawet tysięcy neuronów w jednym obszarze mózgu. Ta znacznie zwiększona zdolność rejestrowania przekłada się bezpośrednio na lepsze zrozumienie interakcji neuronów i sieci mózgowych w celu tworzenia złożonych zachowań i chorób. Większość powszechnie stosowanych elektrod o dużej gęstości opiera się na sztywnym trzonku krzemowym, na którym osadzono wiele styków rejestrujących (zwykle wykonanych z platyny, irydu, złota lub przewodzących polimerów). Istnieje kilka istotnych ograniczeń sond krzemowych w przenoszeniu ich do zastosowań w dużych mózgach, w szczególności u ludzi [7]. Po pierwsze, krzem jest delikatny, co powoduje, że elektrody są podatne na pękanie, co czyni je ryzykownymi w zastosowaniach u ludzi. Ponadto proces mikrowytwarzania krzemu jest niepraktyczny przy wytwarzaniu dużych urządzeń, ograniczając dostępną na rynku długość sondy do około 20 mm, co jest zbyt krótkie dla większości zastosowań klinicznych w ludzkim mózgu. Również połączenie między stykami elektrod a przedwzmacniaczem w obecnie dostępnych produktach wymaga sztywnej płytki drukowanej przymocowanej do elektrody, co jest trudne w obsłudze i wymaga trzymania przedwzmacniaczy bardzo blisko mózg. Chociaż istnieją zatwierdzone przez FDA wersje sond krzemowych (tj. Utah Array używane do interfejsów maszyn mózgowych), zastosowania te są ograniczone do krótkich sond o długości <2 mm używanych do rejestracji powierzchni kory mózgowej. Opisane nieodłączne ograniczenia materiałowe i procesowe sprawiają, że mało prawdopodobne jest, aby technologie sond na bazie krzemu zapewniły klinicznie użyteczną sondę do głębszych miejsc w ludzkim mózgu. Dlatego badacze starali się wykorzystać nowy rodzaj technologii, którą można przetłumaczyć do użytku klinicznego.

Badacze starają się przetestować bardziej solidną i niezawodną technikę rejestrowania dużej liczby pojedynczych neuronów w ludzkim mózgu. Diagnostic Biochips Inc. (Glen Burnie, MD) to producent elektrod, który opracował nowy typ elektrody, który składa się z trzonu ze stali nierdzewnej i układu elektrod o wysokiej gęstości na bazie poliimidu, które są osadzone na tym trzonku. Ten typ konstrukcji elektrody okazał się wysoce niezawodny w przypadku głębokich penetracji mózgu do 8 cm długości u gryzoni i innych naczelnych. Stalowy nośnik jest bardzo wytrzymały, co całkowicie eliminuje problemy z pękaniem związane z konstrukcjami sond opartych na krzemie i innych o dużej gęstości. Podobnie elektrody na bazie poliimidu są materiałem, o którym wiadomo, że nie jest biotoksyczny, który jest dobrze tolerowany i stanowi część wielu obecnie zatwierdzonych przez FDA produktów. Elektroda DBC Deep Array jest podłączona bezpośrednio do mikroprocesora Intan (Los Angeles, CA) zamontowanego na drugim końcu trzonu. Ten mikroprocesor generuje sygnał cyfrowy, dzięki czemu można wykorzystać długie połączenie między mikroprocesorem a wzmacniaczem Intan używanym do rejestracji danych, bez utraty sygnału lub dodatkowego szumu. Ta funkcja ma kluczowe znaczenie dla poprawy bezpieczeństwa pacjenta i zmniejszenia ryzyka infekcji podczas rejestracji. Stal jest sztywna i nie jest podatna na pękanie jak krzem. Ponadto ten typ elektrody można znacznie wydłużyć, po prostu używając dłuższego trzonka ze stali nierdzewnej do zamontowania matrycy poliimidowej o dużej gęstości. Podczas gdy produkowane obecnie głębokie matryce DBC stosowane w badaniach na zwierzętach mają długość 40-80 mm, długość do 300 mm jest łatwo wykonalna. Kontrastuje to z maksymalną długością 10-20 mm, która jest osiągalna dla systemów na bazie krzemu i innych systemów o dużej gęstości. Długość >100 mm jest wymagana do sondowania głębokich struktur mózgu, takich jak zwoje podstawy w ludzkim mózgu, co jest rutynowo wykonywane w warunkach klinicznych. Elektroda DBC może jednocześnie rejestrować do 1024 pojedynczych kanałów. Urządzenia DBC były z powodzeniem stosowane u naczelnych innych niż ludzie i przeszły testy zgodności biologicznej, cytotoksyczności, sterylizacji i bezpieczeństwa, których oczekuje się od ludzi. Wyniki tych badań wypadły pomyślnie, a raporty z nich stanowią załącznik do niniejszego protokołu.