利用可覆盖大脑皮层大面积的多通道皮层电图胶片进行多感官信息检测

关口博人副教授(丰桥工业大学电气电子信息工学系)、濑户川进助理教授、大川纪明副教授(独协医科大学尖端医学综合研究设施;濑户川助理教授现任特聘助理)大阪公立大学教授)开发了一种柔性皮层电描记术(注 1)薄膜，通过将神经电极放置在小鼠大脑表面的大面积区域，可以同时检测来自大脑皮层多个区域的多感觉信息(注 2)。

研究人员认为，人脑通过皮层多个区域同时处理和整合各种感觉信息来实现注意力、学习和记忆等认知功能。为了了解这些认知功能背后的神经信息处理机制，研究人员需要一种能够同时记录大脑皮层大面积神经活动的设备，包括负责处理小鼠和大鼠等啮齿类动物不同感觉信息的颞区。然而，由于头骨和周围的颞肌造成啮齿类动物头部颞区的阻塞，这种装置的放置提出了挑战。

因此，为了成功地将皮层电图记录装置定位在小鼠大脑皮层的颞部和深部区域，开发一种装置并建立一种技术，将记录电极放置在颅骨和大脑皮层之间的狭窄间隙中是至关重要的。大脑皮层的表面。我们的研究小组取得了两项重大进展，(1)开发了一种由适当的薄膜组成的皮质电皮层描记装置，该薄膜具有附着在大脑上的灵活性和刚性，以及(2)建立了一种将装置有效附着在大脑上的手术技术。大脑的颞区。因此，这些进步使得能够成功检测由体感和嗅觉刺激引起的大脑皮层的神经活动。与现有技术相比，这种新颖的皮质电图设备实现了更广泛的神经活动测量。展望未来，该方法预计将有助于推进大规模皮层电图研究，促进更好地理解不同大脑区域之间的功能相互作用及其机制。

这项研究的结果于 2023 年 5 月 3 日在线发表在科学杂志《Molecular Brain》上。这项研究是在日本科学技术振兴机构 (JST) 战略基础研究促进项目 PRESTO (JPMJPR1885))、卡西欧科学促进会的支持下进行的财团法人财团法人丰明奖学财团、立松公益财团、光科学技术研究财团、武田科学财团、内藤财团、安斯泰来代谢紊乱研究财团、栃木县产业振兴中心(世界级技术研究与开发补助金)。

细节

痴呆症、精神分裂症、发育障碍等患者越来越多。导致这些疾病的因素之一是由于大脑中的信息整合系统故障而导致的认知功能受损。然而，大脑整合从各种环境中获得的各种感官信息的精确机制仍不完全清楚。为了加深我们对这些信息集成系统的理解，有必要开发生物识别技术来同时监测分布在大脑皮层的多个大脑区域的活动，管理不同的感觉信息。利用先进工具对小鼠和大鼠等啮齿动物进行神经科学研究，以研究认知功能背后的神经回路机制。研究人员需要一种覆盖啮齿动物大脑皮层顶叶区到颞区的大规模测量技术。然而，传统的基于显微镜的大规模钙成像(注3)和电生理技术(注4)测量啮齿类动物的大脑活动，由于颅骨较厚造成的阻碍，仅限于啮齿类动物头部的顶叶区域。以及周围的颞肌。因此，研究人员需要开发一种新颖的设备，能够同时检测来自大脑皮层(包括颞区)的多种多感官信息，

为了开发一种能够覆盖大脑大范围的多通道皮层电图设备，该研究小组提出了将皮层电图测量设备插入小鼠头骨和硬脑膜之间的狭窄间隙的概念。为了实现这一目标，该设备需要具有灵活性和刚性，以能够粘附在大脑表面。研究小组通过选择适当宽度和厚度的聚对二甲苯薄膜(注 5)(作为装置的基础)来满足这一要求，并建立了将薄膜放置在颞部区域的手术技术。结果，研究小组成功地将多通道电极放置在从体感皮层延伸到大脑皮层最深处(即嗅觉皮层)的广阔区域。此外，通过使用配备64通道记录电极的皮质电图设备，研究小组实现了对清醒和麻醉小鼠大脑皮层大面积的皮质电图测量。研究小组还证实，所开发的设备及其放置技术可以检测同一只小鼠体感和嗅觉刺激引起的神经反应，从而能够同时检测大脑中广泛分布的多感觉信息。

未来展望

所开发的多通道皮质电图设备技术在广泛的小鼠大脑中具有巨大的应用潜力。这是一种新颖的测量技术，扩大了啮齿动物大脑皮层中皮层电图记录的范围，超越了以前的限制。到目前为止，颞区皮质表面的皮层电图测量仅限于人类和猴子。然而，这项创新技术甚至可以在小鼠中实现从顶叶区到颞区的广泛范围的皮层电图测量。通过基因工程技术，针对人类各种病症建立了有价值的疾病模型转基因动物。通过利用本研究中开发的测量技术，它将允许将人类病例与从疾病模型动物获得的研究结果进行比较。加深对啮齿类动物负责整合不同信息的大脑机制的理解，将有助于阐明人类神经和精神疾病的病理机制，从而开发新的治疗技术。