Improving the Quality of ECoG Recordings: A Translational Study from Rats to Humans

Le interfacce neurali rappresentano quel ponte tecnologico in grado di stabilire una connessione bidirezionale tra il cervello e il mondo esterno. Utili a decifrare la complessità dei circuiti neurali, così come a riparare eventuali danni del sistema nervoso, idealmente, è necessario che tali strumenti siano in grado di operare in maniera infallibile. Negli ultimi decenni, la stretta collaborazione tra ingegneri biomedici e neurofisiologi ha permesso progressi fondamentali sia in clinica che nella ricerca di base ma, considerando le molteplici cause (tecnologiche e biologiche) in grado di compromettere la registrazione dei segnali nervosi, ad oggi tali dispositivi non hanno ancora raggiunto il loro pieno potenziale. In questo studio, con l’intento di migliorare la qualità del segnale registrato dal cervello umano, è stata validata in vivo una nuova classe di matrici di micro-elettrodi epi-corticali, fabbricata seguendo gli ultimi sviluppi in campo neuro-tecnologico. Tali dispositivi, ultra-conformabili e con elettrodi di diverso diametro, sono stati testati su ratto dimostrandone: la ridotta invasività attraverso tecniche istologiche; la capacità di registrare in cronico (fino a 12 settimane) segnali neurali ad alta frequenza (attività multi-unitaria) ed altamente risolti nello spazio. Inoltre, viene mostrato come l’utilizzo di un elettrodo di riferimento, interdigitato a quelli di registrazione, sia in grado di migliorare ulteriormente la risoluzione spaziale del segnale acquisito. Da questi esperimenti è emersa anche la presenza di un effetto indesiderato legato alle registrazioni con micro-elettrodi montati su supporti ultra-sottili, ovvero, il crosstalk. Con l’intento di fabbricare future matrici che tengano conto di questi limiti tecnologici, l’importanza di tale fenomeno, così come la sua influenza sui segnali registrati con elettrodi aventi tracce di connessione adiacenti, è stata valutata attraverso esperimenti condotti in vitro e in vivo. A conclusione di questo studio traslazionale, la matrice ultra-conformabile è stata anche testata su un paziente neurochirurgico allo scopo di studiare i processi neurali legati alla produzione del linguaggio. Grazie all’utilizzo di queste matrici di micro-elettrodi è stato possibile identificare un segnale anticipatorio rispetto all’inizio del parlato, con un’elevata specificità temporale e spaziale.

Neural interfaces represent a technological bridge enabling bidirectional communication between the brain and the outside world. To untangle the complexity of neural networks and eventually restore them, near fool-proof devices are required. In the past decades, close collaboration between biomedical engineers and neuroscientists has led to essential advances in both the basic and clinical neurosciences. Nevertheless, due to the multiple natures of recording failures, neural probes have not reached their full potential as reading and rewriting neural tools. Following the latest trends in neurotechnology, this study tested a novel class of ultra-conformable micro-electrocorticographic (µECoG) arrays on a rat model to find the key factors for obtaining high-quality neural interfaces. Long-term neural recordings (up to 12 weeks) were obtained, taking advantage of ultra-thin substrates (8-µm thick polyimide, PI) and highly stable electrode materials (platinum, iridium oxide, PEDOT/PSS [poly(3,4-ethylenedioxythiophene) polystyrene sulfonate], and glassy carbon). The conformability of PI reduced the invasiveness of the implants, and miniaturization of the recording sites enabled the investigation of spatially resolved high-frequency signals (multi-unit activity). Moreover, as a possible strategy for avoiding redundancy of spikes detected with closely spaced electrodes, a reference electrode intermingled with the recording sites was successfully used in differential recording mode, ultimately improving the spatial resolution of the signal. By combining ultra-thin device miniaturization with a recording frequency band of 1 kHz and beyond, crosstalk emerged as a setback to the desired spatial selectivity. Therefore, the degree of this undesired effect was investigated in vivo and in vitro to facilitate the future design of microelectrodes with minimal crosstalk levels. Finally, the ultra-conformable µECoG array was tested on one human subject undergoing awake neurosurgery to investigate the neural correlates of speech processing recorded from the frontal cortical region for speech production.