[論文レビュー] Human Brain Mapping with Multi-Thousand Channel PtNRGrids Resolves Novel Spatiotemporal Dynamics

Youngbin Tchoe, Andrew M. Bourhis+18 more|arXiv (Cornell University)|Mar 16, 2021

Neuroscience and Neural Engineering被引用数 4

ひとこと要約

本研究では、プラチナナノロッドを用いた超薄で高密度な神経記録グリッドである、スケーラブルで再構成可能な数千チャネルのPtNRGridsを導入し、人間の脳マッピングにおいて前例のない空間的（30 µm）および時間的分解能を達成した。この技術はラットの亀裂皮質組織のミリメートル未満の組織構造を解明し、覚醒状態のヒト被験者における運動課題と電気刺激の下で、てんかん発作を含む複雑で微細なスパティオテンポラル的神経活動ダイナミクスを捉えた。

ABSTRACT

Electrophysiological devices are critical for mapping eloquent and diseased brain regions and for therapeutic neuromodulation in clinical settings and are extensively utilized for research in brain-machine interfaces. However, the existing devices are often limited in either spatial resolution or cortical coverage, even including those with thousands of channels used in animal experiments. Here, we developed scalable manufacturing processes and dense connectorization to achieve reconfigurable thin-film, multi-thousand channel neurophysiological recording grids using platinum-nanorods (PtNRGrids). With PtNRGrids, we have achieved a multi-thousand channel array of small (30 {\\mu}m) contacts with low impedance, providing unparalleled spatial and temporal resolution over a large cortical area. We demonstrate that PtNRGrids can resolve sub-millimeter functional organization of the barrel cortex in anesthetized rats that captured the histochemically-demonstrated structure. In the clinical setting, PtNRGrids resolved fine, complex temporal dynamics from the cortical surface in an awake human patient performing grasping tasks. Additionally, the PtNRGrids identified the spatial spread and dynamics of epileptic discharges in a patient undergoing epilepsy surgery at 1 mm spatial resolution, including activity induced by direct electrical stimulation. Collectively, these findings demonstrate the power of the PtNRGrids to transform clinical mapping and research with brain-machine interfaces and highlights a path toward novel therapeutics.

研究の動機と目的

• 臨床的および研究的応用における既存の神経生理学的記録デバイスの空間的分解能と皮質カバレッジの限界を克服すること。
• 低インピーダンス接触を実現する超薄で高密度な神経グリッドのスケーラブルで再構成可能な製造プロセスを開発すること。
• 広範な皮質領域において、サブミリメートル空間的分解能を有する数千チャネル記録を可能にし、詳細な機能的および病理的マッピングを実現すること。
• 覚醒状態のヒト被験者における有用な脳領域およびてんかん巣のマッピングにおける臨床的有用性を実証すること。

提案手法

• プラチナナノロッドを用いたスケーラブルなプロセスにより、超薄で柔軟なPtNRGridsを製造し、高密度で低インピーダンスの電極接触（30 µm径）を実現した。
• 多数のチャネル記録を可能にする高密度で再構成可能なコネクタ化技術を導入し、クロストークの最小化と高い信号忠実度を達成した。
• 不覚醒ラットにおける体内電気生理学的記録を用いて、サブミリメートル機能的分解能の妥当性を検証した。
• 運動課題とてんかん手術の際の覚醒ヒト被験者におけるPtNRGridsの応用により、皮質ダイナミクスおよびてんかん様活動のマッピングを実施した。
• 直接的な電気刺激を統合し、機能的結合性および病理的活動の伝播を調査した。
• ラットモデルにおける組織所見による検証を通じて、記録された神経ダイナミクスと既知の細胞構造（例：バーレルコルチックス）との整合性を確認した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 多数の数千チャネル神経インターフェースは、体内で広範な皮質領域においてサブミリメートル空間的分解能を達成できるか？
• RQ2 PtNRGridsは、組織所見基準と比較してラットのバーレルコルチックスの機能的組織構造をどれほど正確に解明できるか？
• RQ3 PtNRGridsは、覚醒状態のヒト被験者における運動課題の間、神経活動の複雑で微細な時間的ダイナミクスを捉えることができるか？
• RQ4 ヒトてんかん患者における、PtNRGridsを用いたてんかん発作のマッピングの空間的分解能と正確さはいかほどか？
• RQ5 直接的な電気刺激によって誘発された神経ダイナミクスは、PtNRGridsによって皮質表面にどのように伝播するか？

主な発見

• PtNRGridsは30 µmの電極接触サイズと低インピーダンスを実現し、広範な皮質領域で高空間的・時間的分解能を達成した。
• 不覚醒ラットにおいて、PtNRGridsはバーレルコルチックスのサブミリメートル機能的構造を解明し、ヒストケミカルに確認された細胞構造と一致した。
• 覚醒状態のヒト被験者において、PtNRGridsは把持課題の間、複雑で高分解能のスパティオテンポラル的ダイナミクスを捉え、詳細な皮質活性化パターンを明らかにした。
• システムは1 mm空間的分解能でてんかん発作を解明でき、直接的な電気刺激によって誘発された伝播パターンも捉えた。
• PtNRGridsは臨床現場で強固な性能を示し、てんかん巣および機能的脳領域の正確なマッピングを可能にした。
• スケーラブルな製造と再構成可能な設計は、将来的な慢性インプラント型ニューモジュレーションおよびブレインマシンインターフェースへの応用を支援する。