En högdensitetsmikroelektrod för mänskliga neuroninspelningar

Registrering av mänsklig hjärnaktivitet i många skalor är ett viktigt verktyg inom klinisk medicin. Förmågan att registrera extracellulära aktionspotentialer, även känd som en "single unit activity" (SUA) har gett grundläggande insikt i detaljerna i neuronal funktion hos människor såväl som en mängd olika icke-mänskliga djur. Hos människor är teknikerna för att registrera extracellulära aktionspotentialer relativt begränsade. Styva, skarpa prober tillverkade av flera företag är FDA-godkända och används rutinmässigt som en del av standardvården under en mängd olika kirurgiska ingrepp, såsom implantation av enheter för djup hjärnstimulering (DBS) för att identifiera områden med neuronal aktivitet och optimera placeringen av kliniska elektroder. Samma teknik har använts för att bättre förstå hjärnans funktion och dess försämring av sjukdomar hos människor. Dessutom finns en mängd olika semikroniskt implanterade mikrotrådstekniker tillgängliga. Dessa elektroder används oftare hos patienter med anfallsstörningar och har möjliggjort insikt i nätverksbeteende såsom i den mediala tinningloben och den mediala frontalloben.

Men det finns fortfarande ett enormt gap mellan inspelningskapaciteten hos moderna elektroder som används i djurforskning och det som för närvarande är kliniskt tillgängligt för testning på människor. En typisk styvt skaft enkelelektrod som för närvarande används i klinisk vård kommer att registrera allt från 1-3 distinkt isolerade neuroner åt gången. Däremot i toppmodern djurforskning tillåter prober med högre densitet såsom Neuropixel-elektroden [4-6] nu rutinmässigt inspelning av hundratals eller till och med tusentals neuroner i en enda hjärnregion. Denna markant ökade inspelningskapacitet översätts direkt till en bättre förståelse av hur hjärnans neuroner och nätverk interagerar för att skapa komplexa beteenden och sjukdomar. De flesta av de vanligaste högdensitetselektroderna är baserade på ett styvt kiselskaft på vilket flera inspelningskontakter (vanligtvis gjorda av platina, iridium, guld eller ledande polymerer) är inbäddade. Det finns flera betydande begränsningar för kiselbaserade prober när det gäller att översätta dem till stora hjärnor, och i synnerhet mänskliga, applikationer [7] För det första är kisel ömtåligt, vilket gör elektroderna benägna att spricka, vilket gör dem riskfyllda för mänskliga applikationer. Dessutom är kiselmikrotillverkningsprocessen opraktisk för att tillverka stora enheter, vilket begränsar den kommersiellt tillgängliga sondlängden till cirka 20 mm, vilket är för kort för de flesta kliniska tillämpningar i den mänskliga hjärnan. Dessutom kräver kopplingen mellan elektrodkontakterna och förförstärkaren i de för närvarande tillgängliga produkterna ett styvt kretskort som fästs på elektroden, vilket är svårt att arbeta med och som kräver att förförstärkarna hålls mycket nära hjärnan. Även om det finns FDA-godkända versioner av kiselsonder (dvs. Utah Array som används för gränssnitt för hjärnmaskiner), är dessa applikationer begränsade till korta <2 mm långa sonder som används för ytkortikala inspelningar. De inneboende material- och processbegränsningarna som beskrivs gör det osannolikt att kiselbaserade sondteknologier kommer att tillhandahålla en kliniskt användbar sond för djupare platser i den mänskliga hjärnan. Utredarna försökte därför använda en ny typ av översättbar teknologi för klinisk användning.

Utredarna försöker testa en mer robust och tillförlitlig teknik för att registrera ett stort antal enstaka neuroner i den mänskliga hjärnan. Diagnostic Biochips Inc. (Glen Burnie, MD) är en elektrodtillverkare som har utvecklat en ny typ av elektrod som består av ett rostfritt stålskaft och en uppsättning polyimidbaserade högdensitetselektroder som är inbäddade på denna axel. Denna typ av elektroddesign har visat sig vara mycket tillförlitlig för djupa hjärnpenetrationer på upp till 8 cm längd hos gnagare och icke-mänskliga primater. Stålbäraren är mycket robust och undviker helt de brottproblem som är förknippade med kiselbaserade och andra sondkonstruktioner med hög densitet. På liknande sätt är de polyimidbaserade elektroderna ett material som är välkänt för att inte vara biotoxiskt, vilket tolereras väl och ingår i många för närvarande godkända produkter av FDA. DBC Deep Array-elektroden är kopplad direkt till en Intan (Los Angeles, CA) mikroprocessor monterad i den andra änden av axeln. Denna mikroprocessor genererar en digital signal, så att en lång anslutning kan utnyttjas mellan mikroprocessorn och Intan-förstärkarenheten som används för att spela in data, utan någon signalförlust eller tillsats av brus. Denna funktion är avgörande för att förbättra patientsäkerheten och minska eventuella infektionsrisker under inspelning. Stål är styvt och inte benäget att spricka som kisel. Dessutom kan denna typ av elektrod göras betydligt längre, helt enkelt genom att använda en längre axel i rostfritt stål för att montera högdensitetspolyimidarrayen. Medan de för närvarande tillverkade DBC-djupmatriserna som används i djurforskning är 40-80 mm långa, är en längd på upp till 300 mm lätt genomförbar. Detta står i kontrast till den maximala längden på 10 -20 mm som kan uppnås för kiselbaserade och andra högdensitetssystem. En längd på >100 mm krävs för att sondera djupa hjärnstrukturer som basalganglierna i den mänskliga hjärnan, vilket rutinmässigt görs i kliniska miljöer. DBC-elektroden kan spela in upp till 1024 individuella kanaler samtidigt. DBC-enheterna har använts framgångsrikt i icke-mänskliga primater och har genomgått biokompatibilitet, cytotoxicitet, sterilisering och säkerhetstestning som förväntas för användning på människor. Resultaten av dessa tester var alla godkända, och de resulterande rapporterna bifogas detta protokoll.