Modular organization is fundamental to cortical processing, but its presence is human association cortex is unknown. We characterized phoneme processing with 128-1024 channel micro-arrays at 50-200µm pitch on superior temporal gyrus of 7 patients. High gamma responses were highly correlated within ~1.7mm diameter modules, sharply delineated from adjacent modules with distinct time-courses and phoneme-selectivity. We suggest that receptive language cortex may be organized in discrete processing modules.

Abstract Over the past decade, stereotactically placed electrodes have become the gold standard for deep brain recording and stimulation for a wide variety of neurological and psychiatric diseases. Current electrodes, however, are limited in their spatial resolution and ability to record from small populations of neurons, let alone individual neurons. Here, we report on a novel, reconfigurable, monolithically integrated human-grade flexible depth electrode capable of recording from up to 128 channels and able to record at a depth of 10 cm in brain tissue. This thin, stylet-guided depth electrode is capable of recording local field potentials and single unit neuronal activity (action potentials), validated across species. This device represents a major new advance in manufacturing and design approaches which extends the capabilities of a mainstay technology in clinical neurology. One-Sentence Summary A human-grade thin-film depth electrode offers new opportunities in spatial and temporal resolution for recording brain activity.

Intracellular electrophysiology, a vital and versatile technique in cellular neuroscience, is typically conducted using the patch-clamp method. Despite its effectiveness, this method poses challenges due to its complexity and low throughput. The pursuit of multi-channel parallel neural intracellular recording has been a long-standing goal, yet achieving reliable and consistent scaling has been elusive because of several technological barriers. In this work, we introduce a micropower integrated circuit, optimized for scalable, high-throughput in vitro intrinsically intracellular electrophysiology. This system is capable of simultaneous recording and stimulation, implementing all essential functions such as signal amplification, acquisition, and control, with a direct interface to electrodes integrated on the chip. The electrophysiology system-on-chip (eSoC), fabricated in 180nm CMOS, measures 2.236 mm × 2.236 mm. It contains four 8 × 8 arrays of nanowire electrodes, each with a 50 μm pitch, placed over the top-metal layer on the chip surface, totaling 256 channels. Each channel has a power consumption of 0.47 μW, suitable for current stimulation and voltage recording, and covers 80 dB adjustable range at a sampling rate of 25 kHz. Experimental recordings with the eSoC from cultured neurons in vitro validate its functionality in accurately resolving chemically induced multi-unit intracellular electrical activity.

Modular organization at approximately 1 mm scale could be fundamental to cortical processing, but its presence in human association cortex is unknown. Using custom-built, high-density electrode arrays placed on the cortical surface of 7 patients undergoing awake craniotomy for tumor excision, we investigated receptive speech processing in the left (dominant) human posterior superior temporal gyrus. Responses to consonant-vowel syllables and noise-vocoded controls recorded with 1,024 channel micro-grids at 200 μm pitch demonstrated roughly circular domains approximately 1.7 mm in diameter, with sharp boundaries observed in 128 channel linear arrays at 50 μm pitch, possibly consistent with a columnar organization. Peak latencies to syllables in different modules were bimodally distributed centered at 252 and 386 ms. Adjacent modules were sharply delineated from each other by their distinct time courses and stimulus selectivity. We suggest that receptive language cortex may be organized in discrete processing modules.

Efforts to deepen our understanding of the nervous system depends on high resolution sampling of neuronal activity. We leveraged clinically necessary intracranial monitoring performed during surgical resections to record from the cortical surface (N=30) using high spatial resolution, low impedance PEDOT:PSS microelectrodes. We identified three classes of activity. The first included relatively fast repeated waveforms with kinetics similar to, but not perfectly matching, extracellular single unit activity. The other two discrete unitary events with slower waveforms had event frequencies which were selectively modulated by auditory stimuli, electrical stimuli, pharmacological manipulation, and cold saline application. Furthermore, different classes had small but significant causal co-occurrences. We speculate that these different events could reflect axonal action potentials, dendritic calcium spikes, backpropagating action potentials or pre and post-synaptic phenomena, opening the possibility that we can sample information beyond typical extracellular somatic action potentials via high-density, low impedance electrodes on the cortical surface.

Brain surgeries are among the most delicate clinical procedures and must be performed with the most technologically robust and advanced tools. When such surgical procedures are performed in functionally critical regions of the brain, functional mapping is applied as a standard practice that involves direct coordinated interactions between the neurosurgeon and the clinical neurology electrophysiology team. However, information flow during these interactions is commonly verbal as well as time consuming which in turn increases the duration and cost of the surgery, possibly compromising the patient outcomes. Additionally, the grids that measure brain activity and identify the boundaries of pathological versus functional brain regions suffer from low resolution (3-10 mm contact to contact spacing) with limited conformity to the brain surface. Here, we introduce a brain intracranial electroencephalogram microdisplay (Brain-iEEG-microdisplay) which conforms to the brain to measure the brain activity and display changes in near real-time (40 Hz refresh rate) on the surface of the brain in the surgical field. We used scalable engineered gallium nitride (GaN) substrates with 6" diameter to fabricate, encapsulate, and release free-standing arrays of up to 2048 GaN light emitting diodes (μLEDs) in polyimide substrates. We then laminated the μLED arrays on the back of micro-electrocorticography (μECoG) platinum nanorod grids (PtNRGrids) and developed hardware and software to perform near real-time intracranial EEG analysis and activation of light patterns that correspond to specific cortical activities. Using the Brain-iEEG-microdisplay, we precisely ideFSntified and displayed important cortical landmarks and pharmacologically induced pathological activities. In the rat model, we identified and displayed individual cortical columns corresponding to individual whiskers and the near real-time evolution of epileptic discharges. In the pig animal model, we demonstrated near real-time mapping and display of cortical functional boundaries using somatosensory evoked potentials (SSEP) and display of responses to direct electrical stimulation (DES) from the surface or within the brain tissue. Using a dual-color Brain-iEEG-microdisplay, we demonstrated co-registration of the functional cortical boundaries with one color and displayed the evolution of electrical potentials associated with epileptiform activity with another color. The Brain-iEEG-microdisplay holds the promise of increasing the efficiency of diagnosis and possibly surgical treatment, thereby reducing the cost and improving patient outcomes which would mark a major advancement in neurosurgery. These advances can also be translated to broader applications in neuro-oncology and neurophysiology.