ЖУРНАЛ ВЫСШЕЙ НЕРВНОЙ ДЕЯТЕЛЬНОСТИ, 2014, том 64, № 1, с. 101-112
= МЕТОДИКА =
УДК 612.821.6
КАЧЕСТВО РЕГИСТРАЦИИ НЕЙРОННОГО СИГНАЛА В МОТОРНОЙ КОРЕ ОБЕЗЬЯН ПРИ ИСПОЛЬЗОВАНИИ ХРОНИЧЕСКИ ИМПЛАНТИРОВАННЫХ МНОЖЕСТВЕННЫХ МИКРОПРОВОЛОК
© 2014 г. И. В. Бондарь, Л. Н. Васильева, А. М. Бадаква, Н. В. Миллер, Л. Н. Зобова, В. Ю. Рощин
Институт высшей нервной деятельности и нейрофизиологии РАН, Москва, Институт медико-биологических проблем РАН, Москва, Российский национальный исследовательский медицинский университет имени Н.И. Пирогова, Москва,
e-mail: bondar@ihna.ru Поступила в редакцию 13.07.2013 г.
Принята в печать 26.09.2013 г.
Нарушение связи между центральными и периферическими отделами моторной системы ведет к тяжелым формам инвалидизации, однако современные исследования в области интерфейсов "мозг-компьютер" позволят в перспективе решить проблемы реабилитации пациентов с двигательными расстройствами. Хроническая регистрация активности одиночных нейронов в отделах мозга, связанных с движениями, необходима для обеспечения управляющим сигналом эффекторов с большим числом степеней свободы. В настоящей работе проведена оценка качества хронической регистрации активности одиночных нейронов в моторной коре бодрствующих обезьян с помощью пучка множественных микроэлектродов. Регистрация активности одиночных нейронов хорошего качества была возможна в течение 3 мес. В отдельных случаях в нейронных записях с одного канала можно было разделить активности до 7 нейронов. Стабилизация качества регистрации происходила через 40 дней с момента имплантации микроэлектродов. В конечном итоге функциональность пучка множественных микроэлектродов позволяет использовать его в качестве надежного инструмента для получения управляющего нейрофизиологического сигнала от популяций клеток мозга при проведении исследований в области инвазивных устройств "мозг-компьютер".
Ключевые слова: хроническая регистрация активности одиночных нейронов, интерфейсы "мозг-компьютер", моторная кора головного мозга обезьян.
Quality of Neuronal Signal Registered in the Monkey Motor Cortex with Chronically Implanted Multiple Microwires
I. V. Bondar, L. N. Vasilyeva, A. M. Badakva, N. V. Miller, L. N. Zobova, V. Y. Roschin
Institute of Higher Nervous Activity and Neurophysiology of Russian Academy of Sciences, Mosсow, Institute of Biomedical Problems of Russian Academy of Sciences, Mos^M, Pirogov Russian National Research Medical University, Mos^M, e-mail: bondar@ihna.ru
Disconnection of central and peripheral parts of motor system leads to severe forms of disability. However, current research of brain-computer interfaces will solve the problem of rehabilitation of patients with motor disorders in future. Chronic recordings of single-unit activity in specialized areas of cerebral cortex could provide appropriate control signal for effectors with multiple degrees of freedom. In present article we evaluated the quality of chronic single-unit recordings in the primary motor cortex of awake behaving monkeys obtained with bundles of multiple microwires. Action potentials of proper quality were recorded from single units during three months. In some cases up to 7 single units could be extracted on a channel. Recording quality stabilized after 40 days since electrodes were implanted. Ultimately, functionality of multiple electrodes bundle makes it highly usable and reliable instrument for obtaining of control neurophysiologic signal from populations of neurons for brain-computer interfaces.
Keywords: chronic single-unit registration, brain-computer interface, motor cortex of monkeys. DOI: 10.7868/S0044467714010043
Нарушение связи между центральными и периферическими отделами моторной системы ведет к тяжелым формам инвалидизации, однако современные исследования в области интерфейсов "мозг-компьютер" [Hatsopou-los, Donoghue, 2009] позволят в перспективе решить проблемы реабилитации пациентов с двигательными расстройствами. Хроническая регистрация активности одиночных нейронов в специализированных отделах головного мозга может обеспечить эффекторы с большим числом степеней свободы надлежащим управляющим сигналом [Collinger et al., 2013; Vfelliste et al., 2008], а используя активность нескольких зон коры мозга, можно получить управляющий сигнал разного типа [Pesaran et al., 2006].
Несмотря на многочисленные преимущества использования импульсной активности для управления интерфейсом "мозг-компьютер", для ее успешной регистрации необходимо решить определенные проблемы. Наиболее значимой является стабильность отведения активности. Известно, что после погружения в мозг электроды подвергаются воздействию со стороны нервной ткани и со временем качество регистрации на них снижается, что ведет к невозможности отведения потенциалов действия (ПД) одиночных нейронов [Polikov et al., 2005]. Биосовместимость имплантатов играет решающую роль для долговременной и качественной регистрации нейронного сигнала. Исследования качества отведения клеточного сигнала, проведенные М. Вардом с коллегами [Ward et al., 2009], не позволили выявить однозначного лидера среди доступных в настоящее время коммерческих продуктов: регистрирующих конструкций NeuroNexus ("NeuroNexus", США), матриц из кремния или оксида иридия ("Cyberkinetics", США), микроэлектродных тонкопленочных матриц на керамической основе (Drexel University, США) и матриц микроэлектродов ("Tucker-Davis Technologies", США). Нашим коллективом ранее был накоплен опыт использования пучков микроэлектродов в экспериментах на приматах в течение длительного периода времени [Bond-ar et al., 2009]. Недавние публикации экспериментальных данных, накопленных с помощью пучков микроэлектродов, указывают на то, что регистрация высококачественного электрофизиологического сигнала с помощью таких конструкций возможна в течение 7 лет [Kruger et al., 2010].
Целью настоящей работы является оценка качества хронической регистрации активности одиночных нейронов в моторной коре бодрствующих обезьян с помощью пучка множественных микроэлектродов в течение длительного времени.
МЕТОДИКА
Эксперименты были проведены на двух обезьянах. Все манипуляции с животными выполнялись в соответствии с требованиями Директивы Совета Европейского Сообщества (86/609/ЕЕС) об использовании животных для экспериментальных исследований.
На первом этапе работ обезьянам имплантировали специальное акриламидное кольцо для крепления технологических элементов во время экспериментов. Данная методика была разработана в ИМБП РАН для обеспечения надежного отведения сигналов у бодрствующих животных [Сирота и др., 1992; $1го1а е1а1., 1988]. При хирургической подготовке на черепе каждой обезьяны монтировали акриловое кольцо, армированное дюралюминием, с набором резьбовых отверстий и позволяющее фиксировать голову животного. Хирургические операции проводили с преме-дикацией, используя для поддержания глубокого хирургического уровня анестезии животного газ изофлуран в максимально допустимой концентрации 1.25%. В послеоперационный период обезьянам вводили внутримышечно анальгетик бупренорфин гидрохлорид (0.03 мг/кг, 2—3 дня) и цефадил (5 дней). После достижения хирургической стадии наркоза голову обезьяны фиксировали в стерео-таксическом устройстве. Горизонтально над головой на расстоянии 3—5 мм от поверхности кожи с помощью держателя устанавливали подложку, представляющую собой кольцо, выполненное вручную из протакрила, имеющее глубокую лунку и прорези под шурупы. В предварительно выбритом и антисептически обработанном кожном покрове черепа делали соответствующие прорезям подложки ра-диально направленные разрезы длиной 1 см каждый. Мягкие ткани в каждом разрезе надсекали и раздвигали, обнажая поверхность кости. После зачистки участков кости диаметром около 5 мм в ней с помощью мини-дрели и зубного бора диаметром 2 мм, направляемого перпендикулярно поверхности черепа сквозь прорезь подложки, делали отверстия, в которые ввинчивали шурупы. На
каждый разрез накладывали два шва. Закончив установку всех шурупов, соединяли их медным проводом, припаивая провод в шлицах головок шурупов, создавая таким образом общий микроэлектрод. После выравнивания подложки таким образом, чтобы головки шурупов оказались внутри нее, в подложку заливали быстротвердеющую пластмассу и накрывали ее кольцом. Удалив излишки пластмассы и выждав 20 мин, достаточных для приклеивания кольца к подложке, устраняли возможные дефекты приклеивания с помощью той же пластмассы. Такая установка основания на черепе не вызывала значимой травмы и не влекла за собой воспалительных процессов.
Определение стереотаксических координат для имплантации пучков и установка постоянных направляющих канюль
Для вживления пучков микропроволок было необходимо локализовать представительство кисти в моторной коре. Расположение борозд и извилин на поверхности мозга может варьировать у разных животных, поэтому крайне важно было перед имплантацией определить функциональные свойства областей мозга в предполагаемых местах введения микроэлектродов. С этой целью проводили индивидуальное картирование с использованием закрепленной на акрила-мидном кольце стереотаксической пластины с расстоянием между отверстиями 1 мм, через которые в мозг обезьян временно опускали несущие канюли с одиночным микроэлектродом. Вольфрамовый микроэлектрод использовали как для регистрации нейронного сигнала, так и для электрической микростимуляции мозга. Стимуляцию проводили по протоколу, предложенному М. Грациано с коллегами ^га21апо е! а1., 2005]. Раздражение мозга последовательностями (длительностью 500 мс) бифазных импульсов с частотой 100—200 Гц и силой тока 25—100 мкА способно вызывать у животного сложные движения. Если стимуляция вызывала отчетливые движения руки или кисти, такую область считали потенциально пригодной для регистрации нейронной активности. Именно в эту область в ходе хирургического вмешательства, проводимого под общим наркозом, в черепе животного через небольшие кожные разрезы закрепляли до четырех направляющих трубок с внутренним диаметром 700 мкм. Устано
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.