Abnormal cortical oscillations involving thalamocortical network arise in many neurological disorders, including absence epilepsy. Spatiotemporal mapping of cortical activities and interactions through electrocorticography (ECoG) is the key to understanding brain functions and disorders. For the entire brain cortical areas, this approach has been challenging, especially in freely moving states, owing to the need for extensive craniotomy. Here, we introduce a flexible microelectrode array system, termed iWEBS, which can be inserted through a small cranial slit and stably wrap onto the curved cortical surface. Using iWEBS, we measured dynamic changes of signals across major cortical domains, namely somatosensory, motor, visual and retrosplenial areas, in freely moving mice. iWEBS robustly displayed somatosensory evoked potentials (SEPs) in corresponding cortical areas to specific somatosensory stimuli. We also used iWEBS for mapping functional interactions between cortical areas in the propagation of spike-and-wave discharges (SWDs), the neurological marker of absence seizures, triggered by optogenetic inhibition of a specific thalamic nucleus. This demonstrates that iWEBS represents a significant improvement over conventional ECoG recording methodologies, and therefore is a competitive recording system for mapping wide-range brain connectivity under various behavioral conditions.
시상-대뇌피질 회로망을 통해 나타나는 뇌파의 이상 동조 현상은 압상스 간질 등 많은 신경질환에서 관찰된다. 대뇌 피질파 측정(electrocorticography)을 통하여 피질의 활성을 시간적, 공간적으로 규정하는 것은 뇌 질환뿐만 아니라 뇌 기능을 이해하는데 있어 핵심적인 역할을 한다. 대뇌 피질파를 측정하기 위해서는 대상 영역의 개두술(craniotomy)이 불가피하다. 따라서 지금까지 대뇌 전반에 걸친 영역에서 피질 파를 측정하는 것은 불가능 하였다. 또한 뇌가 외부로 노출되어있기 때문에, 대상이 자유로이 움직이는 상황에서 피질의 활성을 측정하는 것 역시 어려움이 있었다. 본 연구에서는 이러한 문제점을 해결하기 위하여 유연한 전극을 사용한 새로운 피질파 측정 시스템을 개발하고, 압상스 간질파(spike-and-wave discharges, SWDs)가 뇌 전반으로 퍼짐에 있어 시상-대뇌피질 회로망의 역할을 규명하였다. iWEBS(insertable wrapping electrode array beneath the skull)시스템은 유연한 전극과 이를 시술하는 방법으로 이루어져 있다. 본 연구에서 개발한 필름 전극은 뇌 굴곡에 따라 밀착될 수 있으면서도 뇌와 두개골 사이로 접히지 않고 삽입될 수 있는 최적화된 유연도를 가지고 있다. 이 필름 전극을 두개골의 작은 틈(cranial slit)을 통하여 뇌와 두개골 사이로 삽입함으로써, 개두술에 의한 손상을 최소화하고, 생쥐가 자유롭게 움직이는 상황에서 대뇌 피질파의 측정을 가능하게 하였다. 이 필름 전극은 16개의 다중 채널로 이루어 져있으며, 각각 양쪽 반구의 감각피질(somatosensory cortex), 운동피질(motor cortex), 시각피질(visual cortex) 및 팽대후피질(retrosplenial cortex)에 위치하여 대뇌 넓을 영역의 활성을 동시에 측정한다. iWEBS 시스템은 생쥐가 깨어있거나 자고 있을 때, 혹은 자유롭게 움직이고 있는 상황에서도 각 상황에서 잘 알려져 있는 특징적인 뇌파를 성공적으로 탐지하였다. 또한 우리는 감각자극에 의한 유도파(somatosensory evoked potentials)를 확인함으로써 각 전극이 접촉하고 있는 특정 대뇌 피질의 활성을 국소적으로 측정하고 있다는 것을 확인하였다. 마지막으로, 우리는 광유전학으로 특정 시상핵의 활성을 억제하여 압상스 간질파를 유도하고, 이 파가 여러 대뇌 피질 영역으로 퍼지는 것을 iWEBS 시스템을 통하여 관찰하였다. 다양한 영역에서 동시에 측정한 간질파의 크기와 시간적 차이의 분석을 통하여, 시상핵에 의해 유도된 압상스 간질파가 어떠한 형식으로 각 뇌 영역에 전달되는지를 계산하였다. 위 결과를 통해 iWEBS 시스템이 개두술을 통한 기존 대뇌 피질파 측정 방법에 비하여 획기적인 장점을 가지고 있음을 알 수 있다. iWEBS 시스템은 다양한 동물의 행동과 넓은 뇌 영역의 활성을 연결하는데 있어 경쟁력 있는 측정법이 될 것이다.
