Gravação de unidade única - Single-unit recording

Na neurociência , os registros de unidade única fornecem um método de medição das respostas eletrofisiológicas de um único neurônio usando um sistema de microeletrodos . Quando um neurônio gera um potencial de ação , o sinal se propaga pelo neurônio como uma corrente que flui para dentro e para fora da célula através de regiões excitáveis ​​da membrana no soma e no axônio . Um microeletrodo é inserido no cérebro, onde pode registrar a taxa de variação da voltagem em relação ao tempo. Esses microeletrodos devem ser condutores de baixa impedância de ponta fina; eles são principalmente micropipetas de vidro, microeletrodos de metal feitos de platina, tungstênio, irídio ou mesmo óxido de irídio. Microeletrodos podem ser colocados cuidadosamente perto da membrana celular , permitindo a capacidade de registro extracelular .

Gravações de unidade única são amplamente utilizadas em ciências cognitivas , onde permitem a análise da cognição humana e o mapeamento cortical . Essas informações podem então ser aplicadas às tecnologias de interface cérebro-máquina (IMC) para controle do cérebro de dispositivos externos.

Visão geral

Existem muitas técnicas disponíveis para registrar a atividade cerebral - incluindo eletroencefalografia (EEG), magnetoencefalografia (MEG) e imagem por ressonância magnética funcional (fMRI) - mas não permitem a resolução de um único neurônio. Os neurônios são as unidades funcionais básicas do cérebro; eles transmitem informações através do corpo usando sinais elétricos chamados potenciais de ação. Atualmente, as gravações de uma única unidade fornecem as gravações mais precisas de um único neurônio. Uma única unidade é definida como um único neurônio de disparo cujos potenciais de pico são distintamente isolados por um microeletrodo de registro.

A capacidade de registrar sinais de neurônios está centrada em torno do fluxo de corrente elétrica através do neurônio. À medida que um potencial de ação se propaga através da célula, a corrente elétrica flui para dentro e para fora do soma e dos axônios nas regiões excitáveis ​​da membrana . Essa corrente cria um potencial de tensão mensurável e variável dentro (e fora) da célula. Isso permite dois tipos básicos de gravações de unidade única. Registros intracelulares de uma unidade ocorrem dentro do neurônio e medem a mudança de voltagem (em relação ao tempo) através da membrana durante os potenciais de ação. Isso resulta em um traço com informações sobre o potencial de repouso da membrana , potenciais pós-sinápticos e picos através do soma (ou axônio). Alternativamente, quando o microeletrodo está próximo à superfície da célula, os registros extracelulares medem a mudança de voltagem (em relação ao tempo) fora da célula, fornecendo apenas informações de pico. Diferentes tipos de microeletrodos podem ser usados ​​para gravações de unidade única; eles são tipicamente de alta impedância, pontas finas e condutores. Pontas finas permitem fácil penetração sem grandes danos à célula, mas também se correlacionam com alta impedância. Além disso, a condutividade elétrica e / ou iônica permite registros de eletrodos não polarizáveis ​​e polarizáveis . As duas classes principais de eletrodos são micropipetas de vidro e eletrodos de metal. As micropipetas de vidro preenchidas com eletrólito são usadas principalmente para registros de unidade única intracelular; eletrodos de metal (geralmente feitos de aço inoxidável, platina, tungstênio ou irídio) e usados ​​para os dois tipos de registro.

As gravações de uma única unidade forneceram ferramentas para explorar o cérebro e aplicar esse conhecimento às tecnologias atuais. Cientistas cognitivos usaram gravações de uma única unidade no cérebro de animais e humanos para estudar comportamentos e funções. Eletrodos também podem ser inseridos no cérebro de pacientes epilépticos para determinar a posição dos focos epilépticos. Mais recentemente, gravações de unidade única têm sido usadas em interfaces cérebro-máquina (IMC). O IMC registra os sinais do cérebro e decodifica uma resposta pretendida, que então controla o movimento de um dispositivo externo (como um cursor de computador ou membro protético).

História

A capacidade de registrar a partir de unidades individuais começou com a descoberta de que o sistema nervoso tem propriedades elétricas. Desde então, os registros de uma única unidade se tornaram um método importante para a compreensão dos mecanismos e funções do sistema nervoso. Ao longo dos anos, o registro de uma única unidade continuou a fornecer informações sobre o mapeamento topográfico do córtex. O desenvolvimento eventual de matrizes de microeletrodos permitiu a gravação de várias unidades ao mesmo tempo.

  • Década de 1790: a primeira evidência de atividade elétrica no sistema nervoso foi observada por Luigi Galvani na década de 1790 com seus estudos sobre sapos dissecados. Ele descobriu que você pode induzir uma perna de sapo morta a se contorcer com uma faísca.
  • 1888: Santiago Ramón y Cajal , um neurocientista espanhol, revolucionou a neurociência com sua teoria dos neurônios, descrevendo a estrutura do sistema nervoso e a presença de unidades funcionais básicas - neurônios. Ele ganhou o Prêmio Nobel de Fisiologia ou Medicina por este trabalho em 1906.
  • 1928: Um dos primeiros relatos de ser capaz de registrar a partir do sistema nervoso foi por Edgar Adrian em sua publicação de 1928 "The Basis of Sensation". Neste, ele descreve seus registros de descargas elétricas em fibras nervosas individuais usando um eletrômetro de Lippmann . Ele ganhou o Prêmio Nobel em 1932 por seu trabalho revelando a função dos neurônios.
  • 1940: Renshaw, Forbes & Morrison realizaram estudos originais registrando a descarga de células piramidais no hipocampo usando microeletrodos de vidro em gatos.
  • 1950: Woldring e Dirken relatam a capacidade de obter atividade de pico da superfície do córtex cerebral com fios de platina.
  • 1952: Li e Jasper aplicaram o método Renshaw, Forbes e Morrison para estudar a atividade elétrica no córtex cerebral de um gato. O modelo de Hodgkin-Huxley foi revelado, onde eles usaram um axônio gigante de lula para determinar o mecanismo exato dos potenciais de ação.
  • 1953: Microeletrodos Iridium desenvolvidos para gravação.
  • 1957: John Eccles usou a gravação de unidade única intracelular para estudar os mecanismos sinápticos em motoneurônios (pelo qual ganhou o Prêmio Nobel em 1963).
  • 1958: Microeletrodos de aço inoxidável desenvolvidos para gravação.
  • 1959: Estudos de David H. Hubel e Torsten Wiesel . Eles usaram gravações de um único neurônio para mapear o córtex visual em gatos não-anestesiados e desenfreados usando eletrodos de tungstênio. Este trabalho lhes rendeu o Prêmio Nobel em 1981 por processamento de informações no sistema visual.
  • 1960: Microeletrodos de platina isolados com vidro desenvolvidos para gravação.
  • 1967: O primeiro registro de matrizes de múltiplos eletrodos para gravação foi publicado por Marg e Adams. Eles aplicaram esse método para registrar muitas unidades de uma só vez em um único paciente para cirurgia cerebral diagnóstica e terapêutica.
  • 1978: Schmidt et al. implantaram eletrodos microcorticais de registro crônico no córtex de macacos e mostraram que poderiam ensiná-los a controlar as taxas de disparo neuronal, um passo fundamental para a possibilidade de registrar sinais neuronais e usá-los para IMC.
  • 1981: Kruger e Bach montam 30 microeletrodos individuais em uma configuração 5x6 e implantam os eletrodos para registro simultâneo de unidades múltiplas.
  • 1992: Desenvolvimento do "Utah Intracortical Electrode Array (UIEA), um arranjo de múltiplos eletrodos que pode acessar a estrutura colunar do córtex cerebral para aplicações neurofisiológicas ou neuroprotéticas".
  • 1994: O conjunto Michigan, um eletrodo planar de silício com vários locais de gravação, foi desenvolvido. NeuroNexus, uma empresa privada de neurotecnologia, é formada com base nesta tecnologia.
  • 1998: Um grande avanço para o IMC foi alcançado por Kennedy e Bakay com o desenvolvimento de eletrodos neurotróficos . Em pacientes com esclerose lateral amiotrófica (ELA), uma condição neurológica que afeta a capacidade de controlar o movimento voluntário, eles foram capazes de registrar com sucesso potenciais de ação usando matrizes de microeletrodos para controlar um cursor de computador.
  • 2016: Elon Musk foi cofundador e investiu US $ 100 milhões para a Neuralink , que visa desenvolver IMC de largura de banda ultra-alta. Em 2019, ele e a Neuralink publicaram seu trabalho seguido de uma entrevista coletiva ao vivo.

Eletrofisiologia

A base das gravações de uma única unidade depende da capacidade de registrar sinais elétricos dos neurônios.

Potenciais neuronais e eletrodos

Quando um microeletrodo é inserido em uma solução iônica aquosa, há uma tendência de cátions e ânions reagirem com o eletrodo, criando uma interface eletrodo-eletrólito. A formação desta camada foi denominada camada de Helmholtz . Uma distribuição de carga ocorre através do eletrodo, o que cria um potencial que pode ser medido contra um eletrodo de referência. O método de registro do potencial neuronal depende do tipo de eletrodo usado. Eletrodos não polarizáveis ​​são reversíveis (íons na solução são carregados e descarregados). Isso cria uma corrente fluindo através do eletrodo, permitindo a medição da tensão através do eletrodo em relação ao tempo. Normalmente, os eletrodos não polarizáveis ​​são micropipetas de vidro preenchidas com uma solução iônica ou metal. Alternativamente, eletrodos polarizados ideais não têm a transformação de íons; geralmente são eletrodos de metal. Em vez disso, os íons e elétrons na superfície do metal tornam-se polarizados em relação ao potencial da solução. As cargas são orientadas na interface para criar uma camada dupla elétrica; o metal então age como um capacitor. A mudança na capacitância em relação ao tempo pode ser medida e convertida em tensão usando um circuito em ponte. Usando essa técnica, quando os neurônios disparam um potencial de ação, eles criam mudanças nos campos de potencial que podem ser registrados usando microeletrodos. Foi demonstrado que os registros de unidades únicas das regiões corticais de modelos de roedores dependem da profundidade em que os locais de microeletrodos foram localizados.

Intracelularmente, os eletrodos registram diretamente o disparo dos potenciais de ação, repouso e pós-sináptico. Quando um neurônio dispara, a corrente flui para dentro e para fora através de regiões excitáveis ​​nos axônios e no corpo celular do neurônio. Isso cria campos potenciais ao redor do neurônio. Um eletrodo próximo a um neurônio pode detectar esses campos de potencial extracelular, criando um pico.

Configuração experimental

O equipamento básico necessário para gravar unidades individuais são microeletrodos, amplificadores , micromanipuladores e dispositivos de gravação. O tipo de microeletrodo usado dependerá da aplicação. A alta resistência desses eletrodos cria um problema durante a amplificação do sinal. Se fosse conectado a um amplificador convencional com baixa resistência de entrada, haveria uma grande queda de potencial no microeletrodo e o amplificador mediria apenas uma pequena porção do potencial verdadeiro. Para resolver este problema, um amplificador seguidor de cátodo deve ser usado como um dispositivo de combinação de impedância para coletar a tensão e alimentá-la para um amplificador convencional. Para gravar de um único neurônio, micromanipuladores devem ser usados ​​para inserir precisamente um eletrodo no cérebro. Isso é especialmente importante para o registro de unidade única intracelular.

Finalmente, os sinais devem ser exportados para um dispositivo de gravação. Após a amplificação, os sinais são filtrados com várias técnicas. Eles podem ser gravados por um osciloscópio e câmera, mas as técnicas mais modernas convertem o sinal com um conversor analógico-digital e enviam para um computador para ser salvo. As técnicas de processamento de dados podem permitir a separação e análise de unidades individuais.

Tipos de microeletrodos

Existem dois tipos principais de microeletrodos usados ​​para registros de unidade única: micropipetas de vidro e eletrodos de metal. Ambos são eletrodos de alta impedância, mas as micropipetas de vidro são altamente resistivas e os eletrodos de metal têm impedância dependente da frequência. Micropipetas de vidro são ideais para medição de potencial de repouso e ação, enquanto eletrodos de metal são mais usados ​​para medições de pico extracelular. Cada tipo possui diferentes propriedades e limitações, que podem ser benéficas em aplicações específicas.

Micropipetas de vidro

As micropipetas de vidro são preenchidas com uma solução iônica para torná-las condutoras; um eletrodo de cloreto de prata-prata (Ag-AgCl) é mergulhado na solução de enchimento como um terminal elétrico. Idealmente, as soluções iônicas devem ter íons semelhantes às espécies iônicas ao redor do eletrodo; a concentração dentro do eletrodo e do fluido circundante deve ser a mesma. Além disso, as características difusivas dos diferentes íons dentro do eletrodo devem ser semelhantes. O íon também deve ser capaz de "fornecer capacidade de transporte de corrente adequada para as necessidades do experimento". E o mais importante, não deve causar mudanças biológicas na célula da qual está gravando. Os eletrodos Ag-AgCl são usados ​​principalmente com uma solução de cloreto de potássio (KCl). Com os eletrodos Ag-AgCl, os íons reagem com ele para produzir gradientes elétricos na interface, criando uma mudança de voltagem com relação ao tempo. Eletricamente, pontas de microeletrodos de vidro têm alta resistência e alta capacitância. Eles têm um tamanho de ponta de aproximadamente 0,5-1,5 µm com uma resistência de cerca de 10-50 MΩ. As pequenas pontas facilitam a penetração na membrana celular com danos mínimos para registros intracelulares. Micropipetas são ideais para medição de potenciais de membrana em repouso e com alguns ajustes podem registrar potenciais de ação. Existem alguns problemas a serem considerados ao usar micropipetas de vidro. Para compensar a alta resistência em micropipetas de vidro, um seguidor de cátodo deve ser usado como o amplificador de primeiro estágio. Além disso, a alta capacitância se desenvolve no vidro e na solução condutora, o que pode atenuar as respostas de alta frequência. Também há interferência elétrica inerente a esses eletrodos e amplificadores.

Metal

Eletrodos de metal são feitos de vários tipos de metais, normalmente silício, platina e tungstênio. Eles "se parecem com um capacitor eletrolítico com vazamento, tendo uma impedância de baixa frequência muito alta e uma impedância de alta frequência baixa". Eles são mais adequados para a medição de potenciais de ação extracelular, embora micropipetas de vidro também possam ser utilizadas. Eletrodos de metal são benéficos em alguns casos porque têm alto sinal-ruído devido à impedância mais baixa para a faixa de frequência dos sinais de pico. Eles também têm melhor rigidez mecânica para perfurar o tecido cerebral. Por último, eles são mais facilmente fabricados em diferentes formatos e tamanhos de pontas em grandes quantidades. Os eletrodos de platina são banhados em preto de platina e isolados com vidro. “Eles normalmente fornecem gravações estáveis, uma alta relação sinal-ruído, bom isolamento e são bastante robustos nos tamanhos de ponta usuais”. A única limitação é que as pontas são muito finas e frágeis. Os eletrodos de silício são eletrodos de liga dopados com silício e uma camada de cobertura de vidro isolante. A tecnologia de silício fornece melhor rigidez mecânica e é um bom suporte de suporte para permitir vários locais de gravação em um único eletrodo. Eletrodos de tungstênio são muito resistentes e fornecem gravações muito estáveis. Isso permite a fabricação de eletrodos de tungstênio com pontas muito pequenas para isolar altas frequências. O tungstênio, entretanto, é muito barulhento em baixas frequências. No sistema nervoso de mamíferos, onde há sinais rápidos, o ruído pode ser removido com um filtro passa-alta. Os sinais lentos são perdidos se filtrados, portanto o tungstênio não é uma boa escolha para gravar esses sinais.

Formulários

Gravações de uma única unidade permitiram monitorar a atividade de um único neurônio. Isso permitiu aos pesquisadores descobrir o papel de diferentes partes do cérebro na função e no comportamento. Mais recentemente, a gravação de neurônios individuais pode ser usada para projetar dispositivos "controlados pela mente".

Ciência cognitiva

Ferramentas não invasivas para estudar o SNC foram desenvolvidas para fornecer informações estruturais e funcionais, mas não fornecem resolução muito alta. Para compensar este problema, métodos de gravação invasivos têm sido usados. Os métodos de registro de unidade única fornecem alta resolução espacial e temporal para permitir a avaliação da relação entre a estrutura, função e comportamento do cérebro. Observando a atividade cerebral no nível dos neurônios, os pesquisadores podem vincular a atividade cerebral ao comportamento e criar mapas neuronais que descrevem o fluxo de informações através do cérebro. Por exemplo, Boraud et al. relatam o uso de registros de unidade única para determinar a organização estrutural dos gânglios da base em pacientes com doença de Parkinson . Os potenciais evocados fornecem um método para acoplar o comportamento à função cerebral. Ao estimular diferentes respostas, pode-se visualizar que parte do cérebro é ativada. Este método tem sido usado para explorar funções cognitivas como percepção, memória, linguagem, emoções e controle motor.

Interfaces cérebro-máquina

As interfaces cérebro-máquina (IMC) foram desenvolvidas nos últimos 20 anos. Ao registrar os potenciais de uma única unidade, esses dispositivos podem decodificar sinais por meio de um computador e emitir esse sinal para o controle de um dispositivo externo, como um cursor de computador ou membro protético . Os IMC têm o potencial de restaurar a função em pacientes com paralisia ou doença neurológica. Essa tecnologia tem potencial para atingir uma ampla variedade de pacientes, mas ainda não está disponível clinicamente devido à falta de confiabilidade no registro de sinais ao longo do tempo. A hipótese primária a respeito dessa falha é que a resposta inflamatória crônica ao redor do eletrodo causa neurodegeneração que reduz o número de neurônios que é capaz de registrar (Nicolelis, 2001). Em 2004, o ensaio clínico piloto BrainGate foi iniciado para "testar a segurança e a viabilidade de um sistema de interface neural baseado em uma matriz de gravação de silício de 100 eletrodos intracorticais". Esta iniciativa teve sucesso no avanço dos BCIs e, em 2011, publicou dados mostrando o controle computacional de longo prazo em um paciente com tetraplegia (Simeral, 2011).

Veja também

Notas

Referências

links externos