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在大鼠脑内植入无线双向微电极系统

2025年7月8日

本文内容

摘要

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来源：Melo-Thomas, L., 等人， 一种无线双向接口 体内 自由活动大鼠神经活动的记录与刺激 视频实验杂志 (2017)

该视频演示了一种将无线双向多通道电极装置植入大鼠脑内的操作流程，用于记录和刺激多通道神经网络。

方案

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所有涉及动物模型的实验程序均已通过当地机构动物护理委员会和 JoVE 兽医审查委员会的审核。

1. 动物

  1. 手术前至少一周，在标准实验室条件下以每组3-4只的方式饲养雄性成年Wistar大鼠（200-250 g），以适应环境。
  2. 手术后两天，将大鼠两两合笼饲养。单个笼子应使用高丙烯酸材质的盖子覆盖。避免使用金属网格制成的传统盖子，因为植入物可能被卡住，从而增加其随时间推移而损坏和/或变得不稳定的風險。

2. 立体定向手术

  1. 手术开始前，整理并准备以下设备和材料：​
    1. 准备无菌手术器械，包括无菌剪刀、钝头镊子、刮匙、手术剪、牙科钻和棉签。
    2. 准备药物和化学品，包括异氟烷、利多卡因、盐酸曲马多、泛醇眼膏、3%过氧化氢、聚维酮碘和70%乙醇。
    3. 准备固定材料，包括不锈钢螺丝、丙烯酸树脂、紫外胶和保护帽。
    4. 准备微电极组件，包括：(i) 记录单电极（石英玻璃绝缘的铂钨微电极，锥形尖端，外径：80 µm，阻抗在1 kHz时为500 kOhm）或四电极（石英玻璃绝缘的铂/钨四芯微电极，外径：100 µm，锥形尖端，阻抗在1 kHz时为500–800 kOhm）；(ii) 刺激电极（铂/铱丝（90%铂，10%铱），芯径125 µm，外径150 µm，阻抗<10 kOhm），连接至接触板；以及(iii) 铂丝参考电极（杆径100 µm；图1A）。
    5. 准备用电水溶性胶将电极固定器粘附于微电极组件上，并至少提前2小时测试其功能（图1B）。
    6. 准备一套传统的有线系统，包括差分前置放大器、主放大器和带通滤波放大器，用于信号记录。
    7. 准备其他辅助材料，如手套、加热垫、注射器和生理盐水。
    8. 准备动物饲养笼（长 × 宽 × 高：42 cm × 26 cm × 38 cm）。
  2. 操作步骤
    注意：    电极植入在异氟烷麻醉下通过传统的立体定位手术进行。
    1. 确保实验人员佩戴手套、外科口罩和实验服。
    2. 将动物置于诱导室中开始麻醉（异氟烷浓度4–5%，氧气流速1 L/min，持续约5分钟）。
    3. 用镊子检测动物的反射消失情况（尾部和脚趾反射），以确认已达到深度麻醉状态。
    4. 将动物头部置于立体定位仪上的麻醉面罩中，固定于上门齿杆，并调节麻醉参数（异氟烷浓度2–3%，氧气流速0.7–0.8 L/min）。
    5. 使用耳杆和上门齿杆在立体定位仪中固定并水平对齐动物头部。
    6. 使用手术剪或剪刀剃除手术区域的毛发，并用聚维酮碘进行消毒。
    7. 将动物置于加热垫上以防止低体温，并涂抹泛醇眼膏保护眼睛，防止干燥。
    8. 在手术区域中心皮下注射利多卡因（0.3–0.4 mL，s.c.）。
    9. 再次检测反射是否消失。
    10. 用手术刀在手术区域中央做一个小切口（1.5 cm），暴露颅骨。轻柔分离皮肤，并用镊子、剪刀和刮匙清除残留组织。
    11. 使用蘸有过氧化氢的棉签仔细清洁颅骨表面。
    12. 在颅骨上钻4–5个小孔（直径4.7 mm），用于固定不锈钢螺丝。
    13. 将微电极组件/电极固定器连接至前置放大器，并将其安装到立体定位微操纵器上（图1B 和 1C）。
    14. 根据所用动物的脑图谱坐标，在目标区域上方的颅骨上钻一个孔（直径约7 mm）。本研究中，以颅骨前囟为参考点，将电极尖端定位至下丘，坐标如下：前后方向 −8.8 mm；内外方向 1.5 mm；背腹方向 3.5 mm。
    15. 用棉签吸除出血。
    16. 垂直插入微电极组件，直至电极尖端到达目标区域。
    17. 将接地线沿不锈钢螺丝下方并置于皮下。
    18. 监测神经放电活动，并使用微操纵器小心调整电极位置，直至到达目标结构中神经元活跃的区域，并检测到信噪比适合进行峰电位分类的神经信号。
    19. 用紫外胶将微电极组件固定在颅骨上，并用丙烯酸树脂覆盖接触板和螺丝。
    20. 注射生理盐水（1 mL，腹腔注射）和曲马多（25 mg/kg，皮下注射），分别用于预防脱水和确保术后镇痛。
    21. 用蘸水的刷子将微电极组件从电极固定器上分离。
    22. 停止麻醉，小心地将大鼠从立体定位仪中取出，并将前置放大器与微电极组件断开。
    23. 在植入的微电极组件上安装保护帽，仅在实验操作期间将其取下。

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结果

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电学测量装置；电极、接线、测试设备；实验过程示意图。
图1： TWS微电极单元。（1）记录单电极/四电极，（2）刺激电极，（3）电极光纤连接板，（4）柔性连接电缆，（5）接地线，（6）连接器板，（7）TWS系统的公头或母头连接器（A）；TWS微电极单元连接至前置放大器（8）和电极夹持器（9）；（B）准备安装至立体定位仪框架（C）。

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材料

本文使用的材料清单
姓名公司目录编号评论
Thomas 无线系统 (TWS) 2.0 版本Thomas RECORDING GmbHAN001165Thomas 无线系统 (TWS) 2.0 版本是一种便携式多通道遥测系统，配备笔记本电脑、预装的 Microsoft Windows 操作系统和 TWS 控制软件。该系统包括：低噪声 4 通道前置放大器和可编程主放大器（带固定带宽）、用于施加双相电流脉冲的单通道恒流刺激器、软件可编程微刺激器、可植入连接系统以及用于安装在动物身上的基本头端单元。系统配备一个带 USB 接口的收发器，可连接笔记本电脑或台式个人计算机，并在 Microsoft Windows 操作系统下运行控制软件。TWS 系统可用于自由活动的小型动物（如大鼠、豚鼠）的细胞外神经刺激与记录，也可适配用于较大的动物（如灵长类动物）。
Thomas 无线系统 (TWS) 软件Thomas RECORDING GmbH包含在 AN001165 中Thomas 无线系统软件在 Microsoft Windows 操作系统下运行，为 Thomas 无线系统 (TWS) 提供图形用户界面 (GUI)。TWS 图形界面提供对 TWS 功能的完整控制，包括 4 通道记录和 1 通道刺激。
用于记录（4 通道）和刺激（单通道）的可植入四极电极Thomas RECORDING GmbHAN001132用于与 Thomas 无线系统 (TWS) 配合使用的可植入四极电极，适用于记录（4 通道）和刺激（单通道）。
记录用四极电极规格：电极纤维材料：石英玻璃绝缘的铂钨纤维，电极纤维外径：100µm，尖端形状 D，阻抗 0.5–0.8 MΩ；参考电极：尖端形状：D；阻抗：300–500 kΩ；材料：石英玻璃绝缘铂/钨；刺激电极规格：纤维材料：铂/铱，直径：125µm，漆包绝缘，尖端形状：D，阻抗：< 10 kΩ；电极尺寸可由最终用户指定
用于记录（单通道）和刺激（单通道）的可植入微电极Thomas RECORDING GmbHAN001118用于与 Thomas 无线系统 (TWS) 配合使用的可植入微电极，适用于记录（单通道）和刺激（单通道）。
记录电极规格：电极纤维材料：石英玻璃绝缘铂钨纤维，电极纤维外径：80µm/250µm（请指定），尖端形状 D，阻抗 0.5–0.8 MΩ；参考电极：尖端形状：D；阻抗：300–500 kΩ；材料：石英玻璃绝缘铂/钨；刺激电极规格：纤维材料：铂/铱，直径：125µm，漆包绝缘，尖端形状：D，阻抗：< 10 kΩ
电极植入用固定杆Thomas RECORDING GmbHAN000838用于标准电极夹的特殊弯曲金属杆，用于固定可植入电极。可植入电极使用 Thomas RECORDING 特制水溶性胶水（AN001080）固定在杆上。（电极夹不包含在内）
Thomas 无线系统用备用可充电电源（3.7V/230mAh）Thomas RECORDING GmbHAN001208Thomas 无线系统的备用可充电电池（蓄电池），容量为 230 mAh，可运行约 1 小时。（尺寸：27mm × 20mm × 6mm，重量约 6g）
Thomas 无线系统用备用可充电电源（3.7V/450mAh）Thomas RECORDING GmbHAN001209Thomas 无线系统的备用可充电电池（蓄电池），容量为 450 mAh，可运行超过 1 小时。（尺寸：48mm × 30mm × 4mm，重量约 11g）
Thomas 无线系统 (TWS) 可充电蓄电池充电器Thomas RECORDING GmbHAN001207用于 Thomas 无线系统 (TWS) 可充电蓄电池（AN001209 和 AN001209）的市电供电充电器
水溶性胶水Thomas RECORDING GmbHAN001080Thomas RECORDING 水溶性电极胶是一种专为神经科学研究中可植入微电极应用而特别筛选的产品。其独特性能可确保电极与固定装置之间形成牢固连接，同时可用温水轻松去除。该胶水可直接使用，无需耗时准备。Thomas RECORDING 水溶性电极胶对人体、动物和环境无害。数量：1 盒，10 克
微型差分前置放大器Thomas RECORDING GmbHAN000329微型差分前置放大器（型号 MDPA-2）是一种双通道、差分输入的前置放大器，专为可兴奋组织的低噪声记录设计。该放大器用于与 Thomas 无线系统 (TWS) 配合，在自由活动动物中进行细胞外记录时，与可植入微电极联用。2 通道微型差分前置放大器（MDPA-2）连接至可植入微电极，提供初始十倍放大级。建议使用 Thomas RECORDING 石英玻璃绝缘铂/钨电极，以获得高信号幅度和低噪声水平的最佳记录效果。MDPA-2 还设有共用地线和参考电极输入端。
连接电缆Thomas RECORDING GmbHAN000330用于连接 Thomas 微型差分前置放大器（MDPA-2）与主放大器及可充电电源的连接电缆。
微型前置放大器用可充电电源Thomas RECORDING GmbHAN000328微型差分前置放大器（MDPA-2）的可充电蓄电池电源。
蓄电池充电器（美国标准）Thomas RECORDING GmbHAN000167用于电源 AN000328 的蓄电池充电器（美国市电插座接口）
蓄电池充电器（欧洲标准）Thomas RECORDING GmbHAN000168用于电源 AN000328 的蓄电池充电器（欧洲市电插座接口）
差分前置放大器/主放大器/带通滤波器Thomas RECORDING GmbHAN000677TREC AC 主放大器（LabAmp-03）是一种单通道、差分主放大器，适用于神经生理学应用（如微电极细胞外记录）。该设备专为与微型差分前置放大器（型号 MDPA-2）配合使用而设计。LabAmp-03 的单通道包含一个高增益、低噪声的差分放大级，后接低频和高频滤波器。放大器内设有两种不同的滤波放大器：单个单位活动（SUA）滤波放大器和局部场电位（LFP）滤波放大器，二者在信号通路中并联连接。记录模式在第一级提供两种信号增益（×10，×100），在最终放大级提供四种附加增益（×5，×10，×25 和 ×50）。每种放大器具有不同的带通特性：单个单位活动（SUA）为 500 Hz…20 kHz，局部场电位（LFP）为 0.1 Hz…140 Hz。设备集成音频监视器和窗口鉴别器。LabAmp-03 配备内置扬声器的音频监视器，可实现电生理信号的音频再现。该单元将音频放大器集成于紧凑、坚固的外壳中，特别适用于监测神经放电和肌肉收缩。音频监视器输入端内部连接至 SUA 滤波放大器输出端。LabAmp-03 配备外接电源，支持 100–240 V AC/50–60 Hz 的市电工作电压范围。
USB 示波器Thomas RECORDING GmbHAN001096USB PC 示波器，2 通道。这款双通道 PC 示波器非常适合在笔记本电脑上移动使用，或永久安装于控制柜、工业设备及其他需要小型、轻便且高性能示波器的场合。该示波器连接至主放大器的信号输出端，用于在植入 Thomas 无线系统 (TWS) 的可植入微电极期间显示记录的细胞外活动。用户可通过多种数据接口直接在 PC 上采集测量数据，并使用配套的 PC 软件。
刺激发生器Multichannel SystemsSTG3008-FA电流（STG）和电压驱动刺激发生器具备三种功能：电流驱动刺激、电压驱动刺激、控制与定时。STG 提供 2、4 或 8 个独立输出通道。每个输出通道均配备集成隔离单元，可生成任意波形。
电极保护帽Thomas RECORDING GmbHAN001193用于 Thomas 无线系统的可植入电极单元保护帽
手术器械剪刀、钝头镊子、刮刀、手术剪、牙科钻和棉签
药品与化学品异氟烷、利多卡因、盐酸曲马多（Tramadol-CT，AbZ-Pharma GmbH，乌尔姆，德国）、泛醇眼膏（Bepanthen，拜耳集团，勒沃库森，德国）、3% 过氧化氢、聚维酮碘（Betaisodona，Mundipharma GmbH，林堡，德国）和 70% 乙醇
固定材料，包括不锈钢螺钉（BN650 M1.2×5；4.7 mm）、丙烯酸树脂（Paladur，Heraeus Holding GmbH，哈瑙，德国）、紫外胶（Cyberbond U3300，Cyberbond Europe GmbH，德国）和保护帽（Thomas Recording GmbH，吉森，德国）
其他材料手套、加热垫、注射器和生理盐水
小型动物立体定位仪（SASI）Thomas RECORDING GmbHAN000287应根据研究中使用的动物（大鼠、豚鼠、猴子等）选择相应型号
摄像机EverFocusEverFocus，型号：EQ150

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