[论文解读] 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 4

一句话总结

本研究提出可扩展、可重构的数千通道铂纳米棒网格（PtNRGrids）——一种采用铂纳米棒实现的超薄、高密度神经记录网格——在人类脑图谱绘制中实现了前所未有的空间（30 µm）和时间分辨率。该技术在大鼠中解析了亚毫米级皮层组织结构，并在清醒人类患者进行运动任务和电刺激时，捕捉到神经活动的复杂、精细时空动态，包括1 mm分辨率下的癫痫放电。

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.

研究动机与目标

• 克服现有神经生理记录设备在临床和研究应用中空间分辨率和皮层覆盖范围方面的局限性。
• 开发一种可扩展、可重构的制造工艺，用于制造超薄、高密度的神经网格，具备低阻抗接触。
• 实现在大范围皮层区域上、具备亚毫米空间分辨率的数千通道记录，以实现详细的功能性和病理学图谱绘制。
• 在清醒人类患者中展示其临床实用性，用于映射重要功能脑区和癫痫灶。

提出的方法

• 采用可扩展工艺制造超薄、柔性的PtNRGrids，利用铂纳米棒实现高密度、低阻抗电极接触（30 µm直径）。
• 实施高密度、可重构的连接设计，以支持数千通道记录，同时最小化串扰并保持高信号保真度。
• 利用PtNRGrids在麻醉大鼠中进行在体电生理记录，以验证亚毫米级功能分辨率。
• 在清醒人类患者进行运动任务和癫痫手术时应用PtNRGrids，以绘制皮层动态和癫痫样活动。
• 整合直接电刺激，以探测功能连接性及病理活动的传播。
• 通过大鼠模型的组织学验证，确认记录的神经动态与已知的细胞构筑结构（如桶状皮层）的一致性。

实验结果

研究问题

• RQ1 多千通道神经接口是否能在活体大范围皮层区域实现亚毫米空间分辨率？
• RQ2 与组织化学标准相比，PtNRGrids在大鼠桶状皮层中解析功能组织结构的准确性如何？
• RQ3 PtNRGrids能否捕捉清醒人类受试者在运动任务期间神经活动的复杂、精细时间动态？
• RQ4 在人类癫痫患者中，使用PtNRGrids进行癫痫放电图谱绘制的空间分辨率和准确性如何？
• RQ5 通过PtNRGrids捕捉到的直接电刺激诱导的神经动态在皮层表面如何传播？

主要发现

• PtNRGrids实现了30 µm电极接触尺寸且阻抗低，实现了在大范围皮层区域上的高空间和时间分辨率。
• 在麻醉大鼠中，PtNRGrids解析了桶状皮层的亚毫米功能架构，与组织化学证实的细胞构筑结构一致。
• 在清醒人类患者中，PtNRGrids在抓握任务期间捕捉到复杂、高分辨率的时空动态，揭示了详细的皮层激活模式。
• 该系统以1 mm的空间分辨率解析了癫痫放电，包括电刺激诱导的传播模式。
• PtNRGrids在临床环境中表现出稳健性能，实现了对致痫灶和功能脑区的精确映射。
• 可扩展的制造工艺和可重构设计为未来向慢性植入式神经调控和脑机接口应用的转化提供了支持。