自由活动动物神经环路激活的记录

摘要

通过将神经生理记录与高速视频技术相结合，可获得自由活动动物神经活动模式的非侵入性测量结果。

摘要

在无约束动物中，神经活动模式与相应行为表达之间的关系难以建立。传统的非侵入性方法至少需要对研究对象进行部分约束，并且仅能识别大量同时激活的神经元。另一方面，对于少量神经元群体或单个神经元的测量，只能通过在高度简化制备的样本上进行单细胞记录来实现。由于在被约束或解剖的动物中，自然行为的表达受到限制，因此控制此类行为的潜在神经机制难以被识别。

本文介绍了一种非侵入性的生理学技术，可用于测量自由活动动物中神经回路的激活状态。通过在充满水的腔室中使用一对导线电极，浴电极可记录螯虾幼体在自然或实验诱发的逃避反应过程中产生的神经和肌肉场电位。螯虾的主要逃避反应由三种不同类型的尾扇运动介导，这些运动使动物远离刺激点。每种尾扇运动均由其特定的神经回路控制；其中最快且最强有力的两种逃避反应需要激活不同群组的大尺寸“指令”神经元。结合行为观察，浴电极记录可明确识别这些神经元及其相关的神经回路。因此，可在无束缚的动物中，于不同行为背景下测量自然发生行为所依赖的神经回路活动。

方案

第一部分：记录室

1. 记录室呈矩形，由薄壁玻璃制成。对于体长（从吻部至尾节测量）为 2.5 – 3.5 cm 的动物，记录室的尺寸为 8.5 cm × 2 cm × 5 cm（长 × 宽 × 高）。
   参见图 1，了解本实验中所用记录室的示例。
2. alternatively，记录室也可由其他材料（例如，无毒透明塑料）制成。记录室的尺寸可根据实验流程进行调整，应针对每一系列实验进行定制。为获得最佳效果，记录室的尺寸应在不限制动物自然行为的前提下尽可能小。作为经验法则，记录室的长度和宽度不应超过动物体长的三倍。

第二部分：浴电极与接地线

1. 使用一对记录电极和一个接地电极。电极由绝缘铜线制成（26 AWG，绝缘层厚度0.25 mm）。浴槽电极的一端连接至细胞外放大器（A-M Systems 1700；见下文），另一端剥除0.5–1.0 mm的绝缘层。接地导线连接至放大器的接地端或其他任何接地设备，其另一端剥除2–3 cm的绝缘层。
2. 将浴槽电极和接地导线用无毒胶水固定在记录室的内壁上。记录电极位于记录室两侧短边中央，彼此相对（图1）。
3. 接地电极位于记录室一侧长边，与记录电极垂直（图1）。
4. 向记录室中加入去离子水。使用高电阻水（约18 MΩ）可获得最佳效果。

第3部分：浴电极记录

讨论

在无约束动物中，难以获得单个神经元活动或神经回路激活的非侵入性记录。本文所述方法提供了一种用于识别自然发生行为背后神经激活模式的手段。

过去，我们已成功运用该技术测量了幼年小龙虾在形成社会优势等级¹、遭遇天敌攻击²以及近期对视觉威胁做出反应³时神经逃逸回路的活动模式。目前，我们采用同步浴电极记录与高速视频记录相结合的方法，以评估小龙虾执行逃逸行为过程中头部附肢运动的重要性。

尽管该技术目前仅在两种无脊椎动物（螯虾和蜻蜓）以及两个不同的实验室中应用过⁴，但它似乎有望推广至其他动物模型系统，包括一些具有由大型神经元控制行为的水生脊椎动物。例如，许多硬骨鱼类的快速逃逸反应由Mauthner细胞——一种可识别的大神经元——所控制⁵。由Mauthner细胞介导的逃逸行为在文献中已受到广泛关注，并已在多个分析层面上开展研究；然而，越来越多的证据表明，Mauthner细胞还控制着与逃逸无关情境下的快速躯体转向^6,7