Микроэлектрод высокой плотности для регистрации нейронов человека

Регистрация активности человеческого мозга во многих масштабах является важным инструментом в клинической медицине. Способность записывать внеклеточные потенциалы действия, также известные как «единичная активность» (SUA), позволила получить фундаментальное представление о деталях нейронной функции у людей, а также у различных нечеловеческих животных. У человека методы регистрации внеклеточных потенциалов действия относительно ограничены. Жесткие зонды с острыми наконечниками, производимые несколькими компаниями, одобрены Управлением по санитарному надзору за качеством пищевых продуктов и медикаментов США (FDA) и регулярно используются как часть стандарта медицинской помощи во время различных хирургических процедур, таких как имплантация устройства для глубокой стимуляции мозга (DBS) для определения областей активности нейронов и оптимизации размещения клинических электродов. Тот же метод использовался для лучшего понимания функции мозга и его нарушений в результате болезней у людей. Кроме того, доступны различные методики полухронической имплантации микропроводов. Эти электроды чаще используются у пациентов с судорожными расстройствами и позволяют получить представление о поведении сети, например, в медиальной височной доле и медиальной лобной доле.

Однако остается огромный разрыв между записывающими возможностями современных электродов, используемых в исследованиях на животных, и тем, что в настоящее время клинически доступно для испытаний на людях. Типичный одиночный электрод с жестким стержнем, используемый в настоящее время в клинической практике, регистрирует от 1 до 3 четко изолированных нейронов одновременно. Напротив, в современных исследованиях на животных датчики с более высокой плотностью, такие как электрод Neuropixel [4-6], теперь обычно позволяют регистрировать сотни или даже тысячи нейронов в одной области мозга. Эта заметно повышенная способность записи напрямую приводит к лучшему пониманию того, как нейроны и сети мозга взаимодействуют, создавая сложное поведение и болезни. Большинство широко используемых электродов высокой плотности основаны на жестком кремниевом стержне, на который встроено несколько записывающих контактов (обычно из платины, иридия, золота или проводящих полимеров). Существует несколько существенных ограничений зондов на основе кремния при их переносе на большой мозг и, в частности, на человека. Кроме того, процесс микрофабрикации кремния нецелесообразен для изготовления больших устройств, ограничивая длину коммерчески доступного зонда примерно 20 мм, что слишком мало для большинства клинических применений в человеческом мозге. Кроме того, соединение между контактами электрода и предварительным усилителем в доступных в настоящее время продуктах требует жесткой печатной платы, прикрепленной к электроду, с которой трудно работать и которая требует, чтобы предварительные усилители находились очень близко к мозг. Хотя существуют одобренные FDA версии кремниевых зондов (например, Utah Array, используемый для интерфейсов мозг-машина), эти приложения ограничены короткими зондами длиной <2 мм, используемыми для регистрации поверхности коры головного мозга. Описанные присущие материалу и процессу ограничения делают маловероятным то, что технологии зондов на основе кремния обеспечат клинически пригодные зонды для более глубоких участков человеческого мозга. Поэтому исследователи стремились использовать новый тип переводимой технологии для клинического применения.

Исследователи стремятся протестировать более надежный и надежный метод регистрации большого количества одиночных нейронов в человеческом мозгу. Компания Diagnostic Biochips Inc. (Глен Берни, Мэриленд) — производитель электродов, разработавший электрод нового типа, состоящий из стержня из нержавеющей стали и массива электродов высокой плотности на основе полиимида, встроенных в этот стержень. Этот тип конструкции электродов доказал свою высокую надежность при глубоком проникновении в мозг на длину до 8 см у грызунов и приматов. Стальной носитель отличается высокой прочностью, полностью исключая проблемы поломки, характерные для зондов на основе кремния и других конструкций с высокой плотностью. Точно так же электроды на основе полиимида представляют собой материал, который, как хорошо известно, не является биотоксичным, хорошо переносится и является частью многочисленных продуктов, одобренных FDA в настоящее время. Электрод DBC Deep Array подключается непосредственно к микропроцессору Intan (Лос-Анджелес, Калифорния), установленному на другом конце стержня. Этот микропроцессор генерирует цифровой сигнал, так что можно использовать длинное соединение между микропроцессором и блоком усилителя Intan, используемым для записи данных, без какой-либо потери сигнала или добавления шума. Эта функция имеет решающее значение для повышения безопасности пациентов и снижения риска заражения во время записи. Сталь жесткая и не склонна к разрушению, как кремний. Кроме того, этот тип электрода можно сделать значительно длиннее, просто используя более длинный стержень из нержавеющей стали для установки массива из полиимида высокой плотности. В то время как производимые в настоящее время глубокие массивы DBC, используемые в исследованиях на животных, имеют длину 40-80 мм, длина до 300 мм легко реализуема. Это контрастирует с максимальной длиной 10-20 мм, достижимой для систем на основе кремния и других систем с высокой плотностью. Длина >100 мм требуется для зондирования глубоких структур головного мозга, таких как базальные ганглии человеческого мозга, что обычно делается в клинических условиях. Электрод DBC может одновременно записывать до 1024 отдельных каналов. Устройства DBC успешно использовались на приматах, кроме человека, и прошли испытания на биосовместимость, цитотоксичность, стерилизацию и безопасность, ожидаемые для использования на людях. Все результаты этих испытаний были пройдены, и итоговые отчеты прилагаются к настоящему протоколу.