一种用于多脑区电生理记录的微型驱动阵列方法

摘要

来源：Shikano, Y., 等 在自由活动大鼠中同步记录皮层局部场电位、心电图、肌电图和呼吸节律。J. Vis. Exp. (2018)。

该视频展示了利用集成式微型驱动阵列在大鼠体内对多个脑区进行同步电生理记录。记录电极置于嗅球，参考电极置于额叶皮层，微型驱动阵列电极则植入海马体。大鼠可自由觅食，所有植入电极的同步记录信号均通过该阵列采集。

方案

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. 整合式微型驱动阵列的制备

1. 按照其他文献所述方法制备用于皮层局部场电位（LFP）记录的微型驱动阵列。在电极接口板（EIB）上至少预留6个金属孔，用作心电图/肌电图/呼吸频率（ECG/EMG/BR）通道，并按照1.2所述方法连接至Bioflex导线。
2. 将一根Bioflex导线剪成6段，每段长5.0 cm。将每段导线两端的聚四氟乙烯（PTFE）涂层剥离约5.0 mm。将每段导线的一端通过金针连接至EIB上预留的金属孔（ECG/EMG/BR通道）之一。
3. 将一根漆包线剪成两段，每段长5.0 cm。将每段导线的一端焊接到EIB的接地/参考（g/r）通道上（图1）。
4. 制备ECG电极时，将一根Bioflex导线剪成两段，每段长16 cm。将每段导线一端的PTFE涂层剥离约5.0 mm（短端），另一端剥离约15 mm（长端）。
5. 将导线长端弯成直径为2.0 mm的环形，并通过焊接固定环形结构。
6. 制备EMG电极时，将一根Bioflex导线剪成两段，每段长8 cm。将每段导线两端的PTFE涂层各剥离约5.0 mm。
7. 制备BR电极时，将一根Bioflex导线剪成两段，每段长6.0 cm。将每段导线两端的漆层各剥离约5.0 mm。将每段导线的一端焊接到不锈钢螺钉头部（杆径：1.0 mm，杆长：4.0 mm）。
8. 制备接地/参考（gr）电极时，将一根漆包线剪成两段，每段长6.0 cm。将每段导线两端的漆层各剥离约5.0 mm。将每段导线的一端焊接到不锈钢螺钉头部（杆径：1.4 mm，杆长：3.0 mm）。
9. 对所有电极和不锈钢螺钉进行气体灭菌，并存放于洁净环境中。

2. 植入整合式微型驱动阵列和BR电极

1. 将大鼠固定在立体定位仪上。从两眼之间至颈部区域沿中线做一条长约 3.0 cm 的切口，暴露颅骨。
2. 在嗅球上方、前囟前 11.0 mm、旁侧 1 mm 处，使用高速钻头制作两个直径为 0.7–1.0 mm 的环形颅骨开孔。将两个 BR 电极植入颅骨，直至螺钉杆的尖端贴附于脑表面。
3. 在额叶皮层上方、前囟前 2.7 mm、旁侧 2.7 mm 处，制作两个直径为 0.7–1.0 mm 的环形颅骨开孔。将两个 g/r 电极植入颅骨，直至螺钉杆的尖端贴附于脑表面。
4. 在大颅骨开孔周围区域制作六至八个直径为 1.0 mm 的小孔。将固定螺钉（杆直径：1.4 mm，杆长度：3.0 mm）植入颅骨。
5. 在海马上方、前囟后 3.8 mm、旁侧 2.5 mm 处，制作一个直径约为 2.0 mm 的大环形颅骨开孔。放置整合式微驱动阵列，使驱动阵列的套管尖端位于大颅骨开孔上方。
6. 用约 100 µL 的两种溶液填充套管尖端与脑表面之间的间隙，即 0.5%（质量分数）海藻酸钠和 10%（质量分数）氯化钙。
   注意：两种溶液在颅骨上混合后约 5 分钟内形成透明凝胶。
7. 用厚度为 0.5 cm 的牙科水泥覆盖套管、BR 电极、g/r 电极和固定螺钉。此步骤中需注意切勿将牙科水泥覆盖在 BR 和 g/r 电极的开放端口上。
8. 将心电图（ECG）、肌电图（EMG）、BR 和 g/r 电极的开放端口焊接到先前已连接至 EIB 的各导线端点上（参见步骤 1.2 和 1.3）。
9. 用牙科水泥覆盖整合式微驱动阵列的底部以及所有电极导线。确保所有电极导线完全被覆盖，以防止大鼠在术后抓挠导致导线松脱。
10. 待动物恢复足够意识并能维持胸卧位后，将其放回透明的聚碳酸酯饲养笼中，单独饲养，并自由获取水和食物。术后给予抗生素（庆大霉素）治疗。

3. 体内记录

注意：所有信号均经过放大，采样频率为 2 kHz，并进行带通滤波（0.1 - 500 Hz），但单位放电活动除外（采样频率为 30 kHz，带通滤波范围为 500 - 6 kHz）。

1. 将整合式微型驱动阵列的EIB连接到记录设备的前置放大器头级。
2. 术后数周内通过旋转螺钉推进四极电极。当四极电极接近目标脑区后，需在数天内逐步将其稳定置入目标区域，以获得稳定的记录信号。
3. 在动物于记录舱内自由活动时，实时监测其电信号。

结果

图1：EIB的顶视图。EIB包含24个皮层局部场电位（LFP）通道，连接至簇状电极，以及2个心电图（ECG）通道、2个肌电图（EMG）通道、2个呼吸（BR）通道和2个接地（Gr）通道。除LFP通道外，所有通道均连接至绝缘导线。

材料

本文使用的材料清单

姓名	公司	目录编号	评论
FEP 绝缘绞合不锈钢导线	Cooner Wire Company, Chatsworth, CA	AS 633	Bioflex 导线
EIB-36-PTB	Neuralynx, Inc., Bozeman, MT	EIB-36-PTB	EIB
Cereplex M	Blackrock Microsystems, Salt Lake City, UT		数字前置放大器
Cereplex Direct	Blackrock Microsystems, Salt Lake City, UT		数据采集系统
UEW 聚氨酯漆包线	Oyaide.com, Tokyo, Japan	UEW 0.14mm 20m	漆包线
SD-102	Narishige, Tokyo, Japan	SD-102	高速钻机
Minimo ONE SERIES ver.2	Minitor Co.,Ltd, Tokyo, Japan	C2012	高速钻机电源
Provinice 250 mL	Shofu Inc., Kyoto, Japan	213620136	牙科水泥
小型动物麻醉机	Biomachinery, Chiba, Japan	TK-7	麻醉机
盐酸丁丙诺啡	Sigma-Aldrich, St. Louis, MO	B7536-1ML	镇痛剂
异氟烷	DS Pharma Animal Health, Osaka, Japan	Isoflu 250mL
凡士林，白色	Wako Pure Chemical Industries, Ltd., Osaka, Japan	224-00165	兽用软膏
海藻酸钠	Nacalai Tesque, Kyoto, Japan	31131-85
二水氯化钙	Wako Pure Chemical Industries, Ltd., Osaka, Japan	031-00435
不锈钢螺钉 M1.0×4.0	MonotaRO, Hyogo, Japan	42617504	BR 电极用不锈钢螺钉
不锈钢螺钉 M1.4×3.0	MonotaRO, Hyogo, Japan	42617687	g/r 电极及锚定螺钉用不锈钢螺钉