Next generation brain implant for distributed recordings of cellular activity in freely behaving rodents

Rik van Daal
Neurologische aandoeningen hebben een enorm negatieve impact op de kwaliteit van leven bij een steeds groter wordend aantal personen. Door het ontwikkelen en produceren van een hersenimplantaat voor de grootschalige registratie van cellulaire activiteit in vrij bewegende knaagdieren, zal meer inzicht verkregen worden over het functioneren van de hersenen. Aan de hand van deze verworven kennis zullen de behandelingen voor neurologische aandoeningen verbeterd worden.

Nieuwe geavanceerde meettechniek brengt hersenwerking beter in kaart

Neurowetenschappers krijgen meer inzicht in het functioneren van de hersenen door gebruik te maken van een nieuw hersenimplantaat.  

Neurologische aandoeningen hebben een enorm negatieve impact op de kwaliteit van leven bij een steeds groter wordend aantal mensen. Het gevolg is, dat het uitvoeren van dagelijkse activiteiten veel inspanningen vergt voor de betreffende persoon. Iedereen kent wel iemand met een neurologische aandoening, bijvoorbeeld mensen lijdend aan de ziekte van Alzheimer, ziekte van Parkinson of multiple sclerose. Om te begrijpen hoe deze ziektebeelden zich ontwikkelen en om hiervoor een oplossing te vinden is het uitermate belangrijk dat er onderzoek wordt gedaan naar het functioneren van de hersenen. De resultaten van de neurowetenschap naar het functioneren van de hersenen zullen een enorme impact hebben op de gezondheidszorg en daarmee de behandelingen voor verschillende ziektebeelden verbeteren en de neuro-technologische hulpmiddelen verder ontwikkelen. Verschillende cognitieve processen, zoals het geheugen, waarnemen en voorstellingsvermogen, worden uitgevoerd door de goed gecoördineerde interactie van verschillende hersengebieden. Deze wisselwerking tussen de hersengebieden vormt de kracht van de hersenen, welke ontstaat uit de enorme hoeveelheid en diversiteit hersencellen en hun onderlinge verbindingen. In de neurowetenschap worden hersencellen (neuronen) beschouwd als, de fundamentele informatie- en signaalverwerkers van ons lichaam. Neuronen verzenden en ontvangen informatie aan de hand van elektrische stromen; wanneer deze elektrische activiteit gemeten wordt, spreekt men over elektrofysiologie. Elektrofysiologie maakt gebruik van neuronaalden om de elektrische activiteit te meten. Eén van de grote neuro-technologische vraagstukken is het vinden van een manier om de hersenactiviteit van duizenden neuronen gelijktijdig te meten en hiermee meer kennis te verkrijgen over de interactie tussen de verschillende hersengebieden. Onderzoek naar de neurologische activiteit in vrij bewegende knaagdieren door middel van langdurige elektrofysiologische registratie speelt een cruciale rol bij het vergroten van onze kennis over de hersenen en het ontstaan van neurologische aandoeningen.

Volgende generatie hersenimplantaat

Het doel van deze masterscriptie was het ontwikkelen en produceren van een volgende generatie hersenimplantaat voor grootschalige registratie van cellulaire activiteit in vrij bewegende knaagdieren.

Concept van een vrij bewegend knaagdier dat een minimaal invasief hersenimplantaat op zijn schedel draagt.

Concept van een vrij bewegend knaagdier dat een minimaal invasief hersenimplantaat op zijn schedel draagt.

Door een minimaal invasief hersenimplantaat te ontwikkelen wordt de vrije beweging van het dier gerespecteerd en kunnen de meest complexe cognitieve processen bestudeerd worden. In de bovenstaande figuur wordt een schets weergegeven van een vrij bewegende rat die een hersenimplantaat op zijn schedel draagt. Het concept voor het nieuwe hersenimplantaat wordt weergegeven in de onderstaande figuur.

Concept van het nieuwe hersenimplantaat dat bestaat uit neuronaalden met individuele positioneermechanismes.

Concept van het nieuwe hersenimplantaat dat bestaat uit neuronaalden met individuele positioneermechanismes.

Het nieuwe hersenimplantaat beschikt over 16 individueel positioneerbare flexibele neuronaalden met elk 16 elektroden, wat resulteert in het totale aantal van 256 elektroden. De elektroden worden gebruikt om de activiteit van de neuronen te meten en zijn ontworpen volgens een gestructureerd patroon om zoveel mogelijk hersencellen gelijktijdig te kunnen onderzoeken. De geregistreerde hersenactiviteit wordt verzonden naar het data-acquisitie systeem, welke de elektrische signalen uitleest en weergeeft op een monitor. Aan de hand van deze informatie kunnen de neurowetenschappers de hersenactiviteit bestuderen en daarmee de neurologische aandoeningen onderzoeken.

Gestructureerd elektrodenpatroon van een neuronaald weergegeven door een optische microscoop.

Gestructureerd elektrodenpatroon van een neuronaald weergegeven door een optische microscoop. De totale breedte van de neuronaald is vergelijkbaar met de dikte van een menselijke haar. De ronde structuren zijn de elektroden en de lijnen staan in verbinding met het data-acquisitie systeem voor het uitlezen van de hersenactiviteit.

Geavanceerde productietechnieken

De neuronaalden zijn geproduceerd met behulp van micromachining technieken, welke bestaan uit het neerleggen en wegnemen van dunne materiaallagen, respectievelijk depositie en etsen. Door het deponeren en etsen van verschillende materiaallagen werden flexibele neuronaalden met zestien elektroden gecreëerd.

Flexibele neuronaald om de hersenactiviteit in vrij bewegende knaagdieren te registreren.

Flexibele neuronaald om de hersenactiviteit in vrij bewegende knaagdieren te kunnen meten.

Om de individuele neuronaalden op een accurate manier in de hersenen te implanteren is een positioneermechanisme ontwikkeld. Eerst werd het ontwerp getekend in een computer-aided design (CAD) programma en vervolgens werd het model 3D-geprint. Door het schroef-shuttle mechanisme is iedere neuronaald nauwkeurig verstelbaar in diepte, om zo de hersenactiviteit in de juiste gebieden te kunnen meten. De exacte positionering wordt tevens gegarandeerd door een 3D-geprinte biocompatibele titanium geleiding, welke aan de onderkant van het hersenimplantaat bevestigd is. De titanium geleiding ondersteunt de neuronaalden bij het positioneren alvorens deze de hersenen van de rat penetreren. Via connectoren wordt de door de elektroden gemeten hersenactiviteit verzonden naar het data-acquisitie systeem. In vergelijking met voorgaande hersenimplantaten voor neurologisch onderzoek zijn de afmetingen en het gewicht drastisch gereduceerd, is de assemblagetijd significant verminderd en worden alle elektronische componenten beschermd tegen uitvoerig experimenteel handelen.

 

Positioneermechanisme voor de nauwkeurige implantatie van de individuele neuronaalden

Positioneermechanisme voor de nauwkeurige implantatie van de individuele neuronaalden.

Bewijs van correcte werking

Om de correcte werking van het nieuwe hersenimplantaat na te gaan, zijn drie validatietesten uitgevoerd. Ten eerste is aan de hand van een insertietest in een simulatie gel aangetoond dat de flexibele neuronaalden de gel volledig kunnen penetreren, hetzij met een kleine afwijking van het rechte pad.
De tweede validatietest toonde aan dat de elektrische weerstandswaarden van de elektroden initieel te hoog waren om hersenactiviteit nauwkeurig te kunnen meten. Het was daarom essentieel om de elektrodecontacten te vergulden en daarmee de weerstandswaarden te verminderen om zo registratie van hersenactiviteit mogelijk te maken.
De derde validatietest omvatte een chirurgische implantatie van de neuronaalden en het positioneermechanisme in de hersenen van een rat. Aan de hand van deze implantatie is bruikbare elektrofysiologische hersenactiviteit gemeten en hiermee werd de correcte werking van het nieuwe hersenimplantaat aangetoond.

Toekomstperspectief

In de toekomst zullen meer geavanceerde technieken worden toegepast zoals gemotoriseerde aansturing, draadloze connecties (bluetooth) en ingebouwde signaalverwerkingschips. Deze technieken zullen de registratie van elektrofysiologische signalen sterk verbeteren en daarmee complexere experimenten mogelijk maken welke nodig zijn voor het bevorderen van de kennis over de werking van de hersenen. Deze kennis zal worden toegepast voor het verbeteren van behandelingen voor verschillende neurologische aandoeningen en zal een enorme impact hebben op de gezondheidszorg. Desalniettemin zal dit enkel gerealiseerd kunnen worden door het onderzoeken, ontwikkelen en toepassen van geavanceerde technieken en hulpmiddelen zoals het hier beschreven hersenimplantaat.

Bibliografie

[1]         E. R. Kandel, "In search of memory: the emergence of a new science of mind," ed. New York: W.W. Norton & Company, Inc., 2006.

[2]         M. Eckert and M. Tatsonu, Overview of Neural Activity in the Awake  and Sleeping Hippocampus (Analysis and modelling of coordinated multi-neural activity). Lethbridge, Alberta, Canada: Springer, 2015.

[3]         F. Amthor, "Neuroscience for dummies", ed. Hoboken, New Jersey: John Wiley & Sons, 2016.

[4]         A. A. Fenton, K. J. Jeffery, and J. G. Donnett, "Electrophysiological recording techniques: Neural Recording Using Digital Telemetry", ed: Springer, 2011.

[5]         H. W. Steenland and B. L. McNaughton, Techniques for Large-Scale Multiunit Recording (Analysis and Modeling of Coordinated Multi-Neuronal Activity). Springer, 2015, pp. 3-39.

[6]         R. Venkateswaran, C. Boldt, B. Ziaie, A. G. Erdman, and A. D. Redish, "A motorized microdrive for recording of neural ensembles in awake behaving rats", Journal of Biomechanical Engineering-Transactions of the Asme, vol. 127, no. 6, pp. 1035-1040, 2005.

[7]         B. L. McNaughton, "Implantable multi-electrode microdrive array", Patent US 5928143, 1999.

[8]         F. Kloosterman et al., "Micro-drive array for chronic in vivo recording: drive fabrication",  J Vis Exp, no. 26, 2009.

[9]         L. R. Squire, "Memory and the Hippocampus: A Synthesis From Findings With Rats, Monkeys, and Humans",  vol. 99, ed: Physiological Review, 1992, pp. 195-132.

[10]       J. O'Keefe and L. Nadel, "The hippocampus as a cognitive map", ed. Oxford: Clarendon Press, 1978.

[11]       M. Schünke, E. Schulte, U. Schumacher, M. Voll, and K. Wesker, "Prometheus Hoofd, hals en neuroanatomie," ed. Houten: Bohn Stafleu van Loghum, 2010.

[12]       J. M. Bekkers, "Pyramidal neurons,"  vol. 21, ed: Cell Press, Current Biology, 2011.

[13]       N. Spruston, "Pyramidal neurons: dendritic structure and synaptic integration," vol. 9, ed: Nature Neuroscience, 2008.

[14]       Atlas3D Neural Systems and Graphics Computing Laboratory, Atlas3D, 2017.

[15]       G. Paxinos and C. Watson, "The rat brain atlas in stereotaxic coordinates 6th edition", ed: Elsevier, 2007.

[16]       F. P. Battaglia et al., "The Lantern: an ultra-light micro-drive for multi-tetrode recordings in mice and other small animals", J Neurosci Methods, vol. 178, no. 2, pp. 291-300, 2009.

[17]       B. L. McNaughton, J. O'Keefe, and C. A. Barnes, "The stereotrode: a new technique for simultaneous isolation of several single units in the central nervous system from multiple unit records",  vol. 8, ed: Journal of Neuroscience Methods, 1983, pp. 391-397.

[18]       M. Vandecasteele et al., "Large-scale recording of neurons by movable silicon probes in behaving rodents", J Vis Exp, no. 61, p. e3568, 2012.

[19]       D. P. Nguyen et al., "Micro-drive array for chronic in vivo recording: tetrode assembly", J Vis Exp, no. 26, 2009.

[20]       J. H. Chung, F. Sharif, D. J. Jung, S. Kim, and S. Royer, "Micro-drive and headgear for chronic implant and recovery of optoelectronic probes", Scientific Reports, vol. 7, 2017, Art. no. 2773.

[21]       M. Jeon et al., "Partially flexible MEMS neural probe composed of polyimide and sucrose gel for reducing brain damage during and after implantation",  vol. 24, ed: Journal of Micromechanics and Microengineering, 2014.

[22]       R. A. Weale, "A new micro-electrode for Electrophysiological work", ed: Nature, 1951, pp. 529-530.

[23]       F. Windels, "Using Place Cells in Goal-Directed Behaviour: Rodent Electrophysiology", ed. Brisbane: The University of Queensland.

[24]       K. C. Cheung, P. Renaud, H. Tanila, and K. Djupsund, "Flexible polyimide microelectrode array for in vivo recordings and current source density analysis", Biosensors and Bioelectronics, vol. 22, no. 8, pp. 1783-1790, 2007.

[25]       S. H. Felix et al., "Insertion of Flexible Neural Probes Using Rigid Stiffeners Attached with  Biodissolvable Adhesive",  vol. 79, ed: Journal of visualized experiments, 2013.

[26]       D. Egert, R. L. Peterson, and K. Najafi, "Parylene microprobes with engineered stiffness and shape for improved insertion", ed: Actuators and microsystems conference (Transducers), 2011.

[27]       K. Lee, A. Singh, J. He, S. Massia, B. Kima, and G. Raupp, "Polyimide based neural implants with stiffness improvement",  vol. 102, ed: Sensors and Actuators, 2004, pp. 67-72.

[28]       L. Luan et al., "Ultraflexible nanoelectronic probes form reliable, glial  scar–free neural integration",  vol. 3, ed: Science Advances, 2017.

[29]       J. J. Jun et al., "Fully integrated silicon probes for high-density  recording of neural activity",  vol. 551, ed: Nature, 2017, pp. 232-236.

[30]       Mercanzini A. et al., "Demonstration of cortical recording using novel  flexible polymer neural probes",  vol. 143, ed: Sensors and Actuators, 2008, pp. 90-96.

[31]       N. Maluf and K. Williams, An introduction to microelectromechanical systems engineering, Second ed. Norwood, Massachusetts, USA: Artech house inc., 2004.

[32]       P. Walker and W. H. Tarn, "Handbook of metal etchants", ed. Boca Raton, Florida: CRC Press, 1990.

[33]       K. M. Liecht, A. Shirani, R. G. Dillingham, F. J. Boerio, and S. M. Weaver, "Cohesive Zone Models of Polyimide/Aluminum Interphases",  vol. 73:2-3, ed: The Journal of Adhesion, 2000, pp. 259-297.

[34]       S. Franssila, "Introduction to microfabrication", ed: John Wiley and Sons, 2010.

[35]       Nanofilm, Westlake Village, CA 91361, http://www.nanofilm.com/

[36]       MicroChem, "LOR Lift-off resists", ed. Newton, Massachusetts.

[37]       Rohm and Haas Electronic Materials, "Microposit S1800 G2 series photoresist for microlithography applications", ed: Philadelphia U.S.

[38]       M. Brunetti et al., "Design and fabrication of ultralight weight, Adjustable multi-electrode probes for electrophysiological recordings in mice", Journal of Visualized Experiments, no. 91, 2014.

[39]       S. Yang et al., "Feedback controlled piezo-motor microdrive for accurate electrode positioning in chronic single unit recording in behaving mice", J Neurosci Methods, vol. 195, no. 2, pp. 117-27, 2011.

[40]       P. L. Lu et al., "Microdrive with Two Independent Moveable Sets for Wide-Ranging, Multi-Site, Multi-Channel Brain Recordings," Journal of Medical and Biological Engineering, vol. 34, no. 4, pp. 341-346, 2014.

[41]       S. Park et al., "The development of a PZT-based microdrive for neural signal recording," Smart Materials and Structures, vol. 17, no. 2, 2008.

[42]       J. W. Aldridge, A. Klein, and M. Bradshaw, "Hybrid multichannel printed circuit board microdrive", Patent US 08428680, 2013.

[43]       J. X. Zhang and R. M. Harper, "A new microdrive for extracellular recording of single neurons using fine wires", Electroencephalogr Clin Neurophysiol, vol. 57, no. 4, pp. 392-4, 1984.

[44]       A. Jovalekic et al., "A lightweight feedback-controlled microdrive for chronic neural recordings", J Neural Eng, vol. 14, no. 2, p. 026006, 2017.

[45]       Neuralynx, "Halo-10/Halo-18 Microdrive User's Manual Microdrive used for manually driving tetrodes for electrophysiology recordings. Revised version 1.2", ed. Bozeman, 2017.

[46]       D. A. Henze, "Microdrive for modular microdrive assembly for positioning instrument in body of animal, has drive rod rotated in one direction, producing force at the complementary contact which urges carriage closer to surface of body", Patent WO2009032838-A1; US2010211081-A1.

[47]       F. Haiss, S. Butovas, and C. Schwarz, "A miniaturized chronic microelectrode drive for awake behaving head restrained mice and rats", J Neurosci Methods, vol. 187, no. 1, pp. 67-72, 2010.

[48]       D. B. Headley, M. V. DeLucca, D. Haufler, and D. Paré, "Incorporating 3D-printing technology in the design of head-caps and electrode drives for recording neurons in multiple brain regions", J Neurophysiol, vol. 113, no. 7, pp. 2721-32, 2015.

[49]       "Halo-10/Halo-18 Microdrive User's Manual Microdrive used for manually driving tetrodes for electrophysiology recordings. Revised version 1.2", ed. Bozeman, 2017.

[50]       M. S. Fee and A. Leonardo, "Miniature motorized microdrive and commutator system for chronic neural recording in small animals", J Neurosci Methods, vol. 112, no. 2, pp. 83-94, 2001.

[51]       J. Yamamoto and M. A. Wilson, "Large-scale chronically implantable precision motorized microdrive array for freely behaving animals", J Neurophysiol, vol. 100, no. 4, pp. 2430-40, 2008.

[52]       J. Yamamoto, Next Generation Large-Scale Chronically Implantable Precision Motorized Microdrive Arrays for Freely Behaving Animals (Advances in Cognitive Neurodynamics), 2011, pp. 67-72.

[53]       I. Szabó, A. Czurkó, J. Csicsvari, H. Hirase, X. Leinekugel, and G. Buzsáki, "The application of printed circuit board technology for fabrication of multi-channel micro-drives", J Neurosci Methods, vol. 105, no. 1, pp. 105-10, 2001.

[54]       T. M. Otchy and B. P. Ölveczky, "Design and assembly of an ultra-light motorized microdrive for chronic neural recordings in small animals", J Vis Exp, no. 69, 2012.

[55]       M. S. Jog et al., "Tetrode technology: advances in implantable hardware, neuroimaging, and data analysis techniques", Journal of Neuroscience Methods, vol. 117, no. 2, pp. 141-152, 2002.

[56]       E. B. Contreras, S. Chekhov, J. Sun, J. Tarnowsky, B. L. McNaughton, and M. H. Mohajerani, "High-performance, inexpensive setup for simultaneous multisite recording of electrophysiological signals and mesoscale voltage imaging in the mouse cortex,"  vol. 5, ed: Neurophotonics, 2018.

[57]       H. D. Dobbins, P. Marvit, Y. D. Ji, and D. A. Depireux, "Chronically recording with a multi-electrode array device in the auditory cortex of an awake ferret," Journal of Neuroscience Methods, vol. 161, no. 1, pp. 101-111, 2007.

[58]       D. S. Freedman, J. B. Schroeder, G. I. Telian, Z. Y. Zhang, S. Sunil, and J. T. Ritt, "OptoZIF Drive: a 3D printed implant and assembly tool package for neural recording and optical stimulation in freely moving mice", Journal of Neural Engineering, vol. 13, no. 6, 2016.

[59]       F. Michon et al., "Integration of silicon-based neural probes and micro-drive arrays for chronic recording of large populations of neurons in behaving animals", J Neural Eng, vol. 13, no. 4, p. 046018, 2016.

[60]       Neuralynx, "Harlan 28 Drive User Manual: Microdrive used for manually driving tetrodes for electrophysiology recordings," ed. Bozeman, 2013.

[61]       J. Voigts, J. H. Siegle, D. L. Pritchett, and C. I. Moore, "The flexDrive: an ultra-light implant for optical control and highly parallel chronic recording of neuronal ensembles in freely moving mice", Front Syst Neurosci, vol. 7, p. 8, 2013.

[62]       T. Sato, T. Suzuki, and K. Mabuchi, "A new multi-electrode array design for chronic neural recording, with independent and automatic hydraulic positioning", J Neurosci Methods, vol. 160, no. 1, pp. 45-51, 2007.

[63]       J. Muthuswamy, M. Okandan, T. Jain, and A. Gilletti, "Electrostatic microactuators for precise positioning of neural microelectrodes", Ieee Transactions on Biomedical Engineering, vol. 52, no. 10, pp. 1748-1755, 2005.

[64]       C. S. Lansink et al., "A split microdrive for simultaneous multi-electrode recordings from two brain areas in awake small animals", J Neurosci Methods, vol. 162, no. 1-2, pp. 129-38, 2007.

[65]       R. C. deCharms, D. T. Blake, and M. M. Merzenich, "A multielectrode implant device for the cerebral cortex", J Neurosci Methods, vol. 93, no. 1, pp. 27-35, 1999.

[66]       K. A. Stengel and R. S. Olson, "Multi-electrode microdrive array," Patent US 07769421, 2010.

[67]       "Harlan 28 Drive User Manual: Microdrive used for manually driving tetrodes for electrophysiology recordings," ed. Bozeman, 2013.

[68]       Y. Jeantet and Y. H. Cho, "Design of a twin tetrode microdrive and headstage for hippocampal single unit recordings in behaving mice", J Neurosci Methods, vol. 129, no. 2, pp. 129-34, 2003.

[69]       Formlabs, 2018, Available: https://formlabs.com/

[70]       B. Redwood, F. Schöffer, and B. Garret, "The 3D printing handbook Technologies, design and applications," ed. Amsterdam: 3D Hubs, 2017.

[71]       J. F. Ready, "LIA handbook of laser materials processing," ed. Orlando: Laser Institute of America, 2001.

[72]       C. L. Caristan, "Laser cutting guide for manufacturing," ed. Dearborn, Michigan: Society of manufacturing Engineers, 2004.

[73]       Elektriska Svetsnings-Aktiebolaget (ESAB), 2018, How does laser cutting work? Available: www.esabna.com

[74]       M. A. Erismis, H. P. Neves, P. D. Moor, R. Puers, and C. V. Hoof, "A water-tight packaging of MEMS electrostatic actuatorsfor biomedical applications,"  vol. 16, ed: Microsystem Technologies, 2010, pp. 2109–2113.

Universiteit of Hogeschool
Master of Biomedical Engineering
Publicatiejaar
2018
Promotor(en)
prof. Robert Puers en prof. Fabian Kloosterman
Kernwoorden