Healthy Research Rewards
ResearchHub is incentivizing healthy research behavior. At this time, first authors of open access papers are eligible for rewards. Visit the publications tab to view your eligible publications.
Got it
JK
Jeong‐Hoon Kim
Author with expertise in Neural Interface Technology
Achievements
Open Access Advocate
Key Stats
Upvotes received:
0
Publications:
6
(83% Open Access)
Cited by:
2
h-index:
23
/
i10-index:
42
Reputation
Biology
< 1%
Chemistry
< 1%
Economics
< 1%
Show more
How is this calculated?
Publications
6

Multimodal monitoring of human cortical organoids implanted in mice using transparent graphene microelectrodes reveal functional connection between organoid and mouse visual cortex

Madison Wilson et al.Jun 17, 2022
Abstract Human cortical organoids, three-dimensional neuronal cell cultures derived from human induced pluripotent stem cells, have recently emerged as promising models of human brain development and dysfunction. Transplantation of human brain organoids into the mouse brain has been shown to be a successful in vivo model providing vascularization for long term chronic experiments. However, chronic functional connectivity and responses evoked by external sensory stimuli has yet to be demonstrated, due to limitations of chronic recording technologies. Here, we develop an experimental paradigm based on transparent graphene microelectrode arrays and two-photon imaging for longitudinal, multimodal monitoring of human organoids transplanted in the mouse cortex. The transparency of graphene microelectrodes permits visual and optical inspection of the transplanted organoid and the surrounding cortex throughout the chronic experiments where local field potentials and multi-unit activity (MUA) are recorded during spontaneous activity and visual stimuli. These experiments reveal that visual stimuli evoke electrophysiological responses in the organoid, matching the responses from the surrounding cortex. Increases in the power of the gamma and MUA bands as well as phase locking of MUA events to slow oscillations evoked by visual stimuli suggest functional connectivity established between the human and mouse tissue. Optical imaging through the transparent microelectrodes shows vascularization of the organoids. Postmortem histological analysis exhibits morphological integration and synaptic connectivity with surrounding mouse cortex as well as migration of organoid cells into the surrounding cortex. This novel combination of stem cell and neural recording technologies could serve as a unique platform for comprehensive evaluation of organoids as models of brain development and dysfunction and as personalized neural prosthetics to restore lost, degenerated, or damaged brain regions.
6
Citation2
0
Save
1

Cellular Calcium Activity at Depth Predicted from Surface Potential Recordings using Ultra-high Density Transparent Graphene Arrays

Mehrdad Ramezani et al.Oct 8, 2023
Abstract Recording brain activity with high spatial and high temporal resolution across deeper layers of cortex has been a long-sought methodology to study how neural information is coded, stored, and processed by neural circuits and how it leads to cognition and behavior. Electrical and optical neural recording technologies have been the key tools in neurophysiology studies toward a comprehensive understanding of the neural dynamics. The advent of optically transparent neural microelectrodes has facilitated multimodal experiments combining simultaneous electrophysiological recordings from the brain surface with optical imaging and stimulation of neural activity. A remaining challenge is to scale down electrode dimensions to single -cell size and increase the density to record neural activity with high spatial resolution across large areas to capture nonlinear neural dynamics at multiple spatial and temporal scales. Here, we developed microfabrication techniques to create transparent graphene microelectrodes with ultra-small openings and a large, completely transparent recording area. We achieved this by using long graphene microwires without any gold extensions in the field of view. To overcome the quantum capacitance limit of graphene and scale down the microelectrode diameter to 20 μm, we used Pt nanoparticles. To prevent open circuit failure due to defects and disconnections in long graphene wires, we employed interlayer doped double layer graphene (id-DLG) and demonstrated cm-scale long transparent graphene wires with microscale width and low resistance. Combining these two advances, we fabricated high-density microelectrode arrays up to 256 channels. We conducted multimodal experiments, combining recordings of cortical potentials with high-density transparent arrays with two-photon calcium imaging from layer 1 (L1) and layer 2/3 (L2/3) of the V1 area of mouse visual cortex. High-density recordings showed that the visual evoked responses are more spatially localized for high-frequency bands, particularly for the multi-unit activity (MUA) band. The MUA power was found to be strongly correlated with the cellular calcium activity. Leveraging this strong correlation, we applied dimensionality reduction techniques and neural networks to demonstrate that single-cell (L2/3) and average (L1 and L2/3) calcium activities can be decoded from surface potentials recorded by high-density transparent graphene arrays. Our high-density transparent graphene electrodes, in combination with multimodal experiments and computational methods, could lead to the development of minimally invasive neural interfaces capable of recording neural activity from deeper layers without requiring depth electrodes that cause damage to the tissue. This could potentially improve brain computer interfaces and enable less invasive treatments for neurological disorders.
1

Decoding of cortex-wide brain activity from local recordings of neural potentials

Xin Liu et al.Oct 16, 2021
Abstract Objective Electrical recordings of neural activity from brain surface have been widely employed in basic neuroscience research and clinical practice for investigations of neural circuit functions, brain-computer interfaces, and treatments for neurological disorders. Traditionally, these surface potentials have been believed to mainly reflect local neural activity. It is not known how informative the locally recorded surface potentials are for the neural activities across multiple cortical regions. Approach To investigate that, we perform simultaneous local electrical recording and wide-field calcium imaging in awake head-fixed mice. Using a recurrent neural network model, we try to decode the calcium fluorescence activity of multiple cortical regions from local electrical recordings. Main results The mean activity of different cortical regions could be decoded from locally recorded surface potentials. Also, each frequency band of surface potentials differentially encodes activities from multiple cortical regions so that including all the frequency bands in the decoding model gives the highest decoding performance. Despite the close spacing between recording channels, surface potentials from different channels provide complementary information about the large-scale cortical activity and the decoding performance continues to improve as more channels are included. Finally, we demonstrate the successful decoding of whole dorsal cortex activity at pixel-level using locally recorded surface potentials. Significance These results show that the locally recorded surface potentials indeed contain rich information of the large-scale neural activities, which could be further demixed to recover the neural activity across individual cortical regions. In the future, our cross-modality inference approach could be adapted to virtually reconstruct cortex-wide brain activity, greatly expanding the spatial reach of surface electrical recordings without increasing invasiveness. Furthermore, it could be used to facilitate imaging neural activity across the whole cortex in freely moving animals, without requirement of head-fixed microscopy configurations.
1

E-Cannula reveals anatomical diversity in sharp-wave ripples as a driver for the recruitment of distinct hippocampal assemblies

Xin Liu et al.Oct 24, 2021
Abstract The hippocampus plays a critical role in spatial navigation and episodic memory. However, research on in vivo hippocampal activity dynamics has mostly relied on single modalities such as electrical recordings or optical imaging, with respectively limited spatial and temporal resolution. This technical difficulty greatly impedes multi-level investigations into network state-related changes in cellular activity. To overcome these limitations, we developed the E-Cannula integrating fully transparent graphene microelectrodes with imaging-cannula. The E-Cannula enables the simultaneous electrical recording and two-photon calcium imaging from the exact same population of neurons across an anatomically extended region of the mouse hippocampal CA1 stably across several days. These large-scale simultaneous optical and electrical recordings showed that local hippocampal sharp wave ripples (SWRs) are associated with synchronous calcium events involving large neural populations in CA1. We show that SWRs exhibit spatiotemporal wave patterns along multiple axes in 2D space with different spatial extents (local or global) and temporal propagation modes (stationary or travelling). Notably, distinct SWR wave patterns were associated with, and decoded from, the selective recruitment of orthogonal CA1 cell assemblies. These results suggest that the diversity in the anatomical progression of SWRs may serve as a mechanism for the selective activation of the unique hippocampal cell assemblies extensively implicated in the encoding of distinct memories. Through these results we demonstrate the utility of the E-Cannula as a versatile neurotechnology with the potential for future integration with other optical components such as green lenses, fibers or prisms enabling the multi-modal investigation of cross-time scale population-level neural dynamics across brain regions.