Um microeletrodo de alta densidade para gravações neuronais humanas

O registro da atividade cerebral humana em muitas escalas é uma ferramenta importante na medicina clínica. A capacidade de registrar potenciais de ação extracelulares, também conhecida como "atividade de unidade única" (SUA), forneceu informações fundamentais sobre os detalhes da função neuronal em humanos, bem como em uma variedade de animais não humanos. Em humanos, as técnicas de registro de potenciais de ação extracelulares são relativamente limitadas. Sondas rígidas e de ponta afiada fabricadas por várias empresas são aprovadas pela FDA e usadas rotineiramente como parte do tratamento padrão durante uma variedade de procedimentos cirúrgicos, como implantação de dispositivos de estimulação cerebral profunda (DBS) para identificar áreas de atividade neuronal e otimizar a colocação de eletrodos clínicos. A mesma técnica tem sido usada para entender melhor a função cerebral e seu comprometimento por doenças em humanos. Além disso, uma variedade de técnicas de microfios implantados semicrônicamente estão disponíveis. Esses eletrodos são mais comumente usados ​​em pacientes com distúrbios convulsivos e permitiram uma visão do comportamento da rede, como no lobo temporal medial e no lobo frontal medial.

No entanto, permanece uma enorme lacuna entre as capacidades de gravação dos eletrodos modernos usados ​​em pesquisas com animais e o que está clinicamente disponível para testes em humanos. Um único eletrodo de eixo rígido típico atualmente usado em cuidados clínicos registrará de 1 a 3 neurônios distintamente isolados por vez. Em contraste, na pesquisa animal de última geração, sondas de densidade mais alta, como o eletrodo Neuropixel [4-6], agora rotineiramente permitem o registro de centenas ou mesmo milhares de neurônios em uma única região do cérebro. Essa capacidade de gravação acentuadamente aumentada se traduz diretamente em uma melhor compreensão de como os neurônios e as redes cerebrais interagem para criar comportamentos complexos e doenças. A maioria dos eletrodos de alta densidade comumente usados ​​são baseados em um eixo rígido de silício no qual múltiplos contatos de gravação (normalmente feitos de platina, irídio, ouro ou polímeros condutores) são embutidos. Existem várias limitações significativas das sondas baseadas em silício em traduzi-las para aplicações cerebrais grandes e, em particular, humanas [7] Primeiro, o silício é frágil, tornando os eletrodos propensos a fraturas, o que os torna arriscados para aplicações humanas. Além disso, o processo de microfabricação de silício é impraticável para a fabricação de dispositivos grandes, limitando o comprimento da sonda disponível comercialmente a cerca de 20 mm, o que é muito curto para a maioria das aplicações clínicas no cérebro humano. Além disso, a conexão entre os contatos do eletrodo e o pré-amplificador nos produtos atualmente disponíveis requer uma placa de circuito rígida que é acoplada ao eletrodo, difícil de trabalhar e que exige que os pré-amplificadores sejam mantidos muito próximos o cérebro. Embora existam versões aprovadas pela FDA de sondas de silício (ou seja, o Utah Array usado para interfaces cérebro-máquina), essas aplicações são limitadas a sondas curtas <2 mm de comprimento usadas para gravações corticais de superfície. As limitações inerentes de material e processo descritas tornam improvável que as tecnologias de sonda baseadas em silício forneçam uma sonda clinicamente utilizável para locais mais profundos no cérebro humano. Os investigadores, portanto, procuraram utilizar um novo tipo de tecnologia traduzível para uso clínico.

Os pesquisadores procuram testar uma técnica mais robusta e confiável para registrar um grande número de neurônios individuais no cérebro humano. Diagnostic Biochips Inc. (Glen Burnie, MD) é um fabricante de eletrodos que desenvolveu um novo tipo de eletrodo que consiste em uma haste de aço inoxidável e uma série de eletrodos de alta densidade baseados em poliimida que são embutidos nessa haste. Este tipo de projeto de eletrodo provou ser altamente confiável para penetrações cerebrais profundas de até 8 cm de comprimento em roedores e primatas não humanos. O transportador de aço é altamente robusto, evitando totalmente os problemas de quebra associados à base de silício e outros designs de sonda de alta densidade. Da mesma forma, os eletrodos à base de poliimida são um material que é bem conhecido por não ser biotóxico, que é bem tolerado e faz parte de vários produtos atualmente aprovados pela FDA. O eletrodo DBC Deep Array é conectado diretamente a um microprocessador Intan (Los Angeles, CA) montado na outra extremidade do eixo. Este microprocessador gera um sinal digital, de modo que uma conexão longa pode ser utilizada entre o microprocessador e a unidade amplificadora Intan usada para registrar os dados, sem perda de sinal ou adição de ruído. Esse recurso é crucial para melhorar a segurança do paciente e reduzir os riscos de infecção durante a gravação. O aço é rígido e não propenso a fraturas como o silício. Além disso, esse tipo de eletrodo pode ser significativamente mais longo, simplesmente usando um eixo de aço inoxidável mais longo para montar a matriz de poliimida de alta densidade. Embora as matrizes profundas de DBC atualmente fabricadas usadas em pesquisas com animais tenham 40-80 mm de comprimento, um comprimento de até 300 mm é facilmente viável. Isso contrasta com o comprimento máximo de 10 a 20 mm que é alcançável para sistemas baseados em silício e outros sistemas de alta densidade. Um comprimento de > 100 mm é necessário para sondar estruturas cerebrais profundas, como os gânglios da base no cérebro humano, o que é feito rotineiramente em ambientes clínicos. O eletrodo DBC pode gravar até 1024 canais individuais simultaneamente. Os dispositivos DBC foram usados ​​com sucesso em primatas não humanos e passaram por testes de biocompatibilidade, citotoxicidade, esterilização e segurança esperados para uso em humanos. Os resultados desses testes foram aprovados e os relatórios resultantes estão anexados a este protocolo.