[논문 리뷰] Human Brain Mapping with Multi-Thousand Channel PtNRGrids Resolves Novel Spatiotemporal Dynamics

Youngbin Tchoe, Andrew M. Bourhis외 18명|arXiv (Cornell University)|2021. 03. 16.

Neuroscience and Neural Engineering인용 수 4

한 줄 요약

이 연구는 플라티나 나노로드를 사용한 초박편하고 고밀도의 신경 기록 격자인 확장 가능하고 재구성 가능한 다천채널 PtNRGrids를 도입하여 인간 뇌 지ap핑에서 사전에 없던 공간(30 µm) 및 시간 해상도를 달성한다. 이 기술은 흉내를 내는 쥐의 밀리미터 이하의 피질 조직을 해결하고, 각성 상태의 인간 환자에서 운동 과제와 전기 자극 중에 복잡한 미세 척도의 시공간적 신경 활동, 예를 들어 1 mm 해상도에서의 간질 발작을 캡처한다.

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.

연구 동기 및 목표

• 임상 및 연구 적용을 위한 기존 신경생리학적 기록 장치의 공간 해상도 및 피질 커버리지 제한을 극복하기 위해.
• 저저항 접촉을 갖춘 초박편하고 고밀도의 신경 격자에 대한 확장 가능하고 재구성 가능한 제조 공정을 개발하기 위해.
• 대규모 피질 영역에서 밀리미터 이하의 공간 해상도를 갖춘 다천채널 기록을 가능하게 하여 세밀한 기능적 및 병리학적 지도를 제작하기 위해.
• 각성 상태의 인간 환자에서 기능적 뇌 영역과 간질의 중심부를 지도하는 임상적 유용성을 입증하기 위해.

제안 방법

• 플라티나 나노로드를 사용한 스케일러블 공정을 통해 초박편하고 유연한 PtNRGrids를 제조하여 고밀도이고 저저항성인 전극 접촉(30 µm 지름)을 달성한다.
• 다천채널 기록을 위해 최소한의 교란과 높은 신호 무결성을 확보하는 고밀도이고 재구성 가능한 커넥터화를 구현한다.
• 비침습적 전기 생리학적 기록을 위해 마취된 쥐에서 PtNRGrids를 사용하여 밀리미터 이하의 기능적 해상도를 검증한다.
• 운동 과제와 간질 수술 중 각성 상태의 인간 환자에서 PtNRGrids를 적용하여 피질 역학과 간질성 활동을 지도한다.
• 기능적 연결성과 병리학적 활동의 전파를 탐색하기 위해 직접 전기 자극을 통합한다.
• 기록된 신경 역학과 알려진 세포조직학적 구조(예: 배럴 피질) 간의 일치를 확인하기 위해 쥐 모델에서 조직학적 검증을 수행한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 다천채널 신경 인터페이스는 살아있는 상태에서 대규모 피질 영역에서 밀리미터 이하의 공간 해상도를 달성할 수 있는가?
• RQ2 PtNRGrids는 히스토화학적 표준과 비교하여 쥐의 배럴 피질의 기능적 조직을 얼마나 정확하게 해결할 수 있는가?
• RQ3 PtNRGrids는 각성 상태의 인간에서 운동 과제 중에 복잡하고 미세 척도의 시간 역학적 신경 활동을 캡처할 수 있는가?
• RQ4 PtNRGrids를 사용하여 인간 간질 환자에서 간질 발작의 공간 해상도와 정확도는 어떻게 되는가?
• RQ5 직접 전기 자극에 의해 유도된 신경 역학은 PtNRGrids에 의해 피질 표면을 따라 어떻게 전파되는가?

주요 결과

• PtNRGrids는 저저항성인 30 µm 전극 접촉을 달성하여 대규모 피질 영역에서 고공간 및 고시간 해상도 기록이 가능했다.
• 마취된 쥐에서 PtNRGrids는 히스토화학적으로 확인된 세포조직학적 구조와 일치하는 밀리미터 이하의 기능적 구조를 해결했다.
• 각성 상태의 인간 환자에서 PtNRGrids는 잡기 과제 중에 세밀한 시공간적 역학을 캡처하여 세부적인 피질 활성화 패tern을 드러냈다.
• 시스템은 간질 발작을 1 mm 공간 해상도로 해결했으며, 직접 전기 자극에 의해 유도된 전파 패턴도 확인했다.
• PtNRGrids는 임상 환경에서 뛰어난 성능을 보였으며, 간질 발생 영역과 기능적 뇌 영역의 정밀한 지도를 가능하게 했다.
• 확장 가능한 제조 공정과 재구성 가능한 설계는 향후 만성 임플란트 신경조절 및 뇌-기계 인터페이스 응용으로의 이행을 지원한다.