我们为正在学习慢性神经记录电极植入过程的外科医生提供有用的信息。本文在啮齿类动物模型中描述了穿透性和表面电极系统的相关技术。
本文内容
摘要
摘要
长期电生理记录的成功往往取决于植入手术的质量。本文为正在学习电极系统植入技术的外科医生提供有用的信息。我们展示了穿透性电极和表面电极的植入操作流程。手术过程从开始到结束均有详细描述，涵盖整个操作过程中的各个步骤。需要注意的是，本视频指南主要针对在啮齿类动物及其他小型动物模型中进行的操作。所述操作流程可根据其他动物模型的需要进行适当调整。
方案
1. 植入前操作步骤（通用）
- 从动物两眼之间开始，向后延伸至耳后，剃除头部上方的毛发。使用电动理发剪剃净头部毛发。先用异丙醇擦拭头部，再用聚维酮碘溶液擦洗（重复3次）。涂抹眼部润滑剂。
- 将动物固定在立体定位耳杆上。通过横向移动动物头部，使右侧立体定位耳杆的固定端插入动物右耳的耳道内。必须格外小心，确保每侧耳杆尖端均准确置于外耳道内。接着，将左侧可动耳杆推入左侧耳道，并施加轻微向内的压力。握住动物的鼻部并用力前后晃动。若动物固定良好，头部应感觉稳固不动。
2. 植入前手术（通用）
- 使用精细剪刀从正中线向外侧剪出两个半圆形，部分去除头皮组织。
- 刮除并清除附着在颅骨表面的骨膜结缔组织。使用钝边（如手术刀背侧或无菌棉签尖端）进行刮除，可最大限度减少出血，因为毛细血管会被压碎而非被锐性切断。若发生骨出血，可使用骨蜡或电凝器进行止血。
- 使用过氧化氢对骨面进行消毒和清洁。将骨面干燥，以使颅骨缝线更清晰可见。应标记并利用前囟点（Bregma）和后囟点（Lambda）来调平头部。开颅和电极植入的位置应以前囟点为参考进行测量，并可用记号笔临时标记，或通过在骨面浅层钻孔标记。开颅位置的选择取决于实验研究的具体目的（例如运动功能、感觉功能实验）1。
- 在颅骨上钻入螺钉孔，并植入接地螺钉和固定螺钉。务必使用不锈钢或钛合金螺钉。建议选用小型钟表匠螺钉（例如 #2-56 或 #00-80），且每英寸螺纹数应尽可能多。
3. 硅电极植入手术步骤
- 在植入螺钉后进行颅骨开窗。在颅骨开窗四个角的位置钻出四个浅的引导标记。以这些引导标记为指引，钻出颅骨开窗的边界。使用坚固的镊子移除中心未钻除的骨块。可能需要进一步钻孔清理开放颅骨窗的边缘。可用显微咬骨钳剪除薄的骨片。手术计划需仔细设计，以避免损伤主要血管（如矢状窦），该血管可能位于矢状缝中线纵向方向0.5 mm以内1。刺破矢状窦可能导致大量出血。暴露的硬脑膜应持续用人工脑脊液（aCSF）或生理盐水保持湿润。
- 为刺穿硬脑膜，需使用小规格的无菌皮下注射针头（例如，< 28 G）制作一个小钩。将针头斜面紧贴坚硬表面（如手术刀的平面部分），略微倾斜，使其尖端形成90度弯曲。使用此钩轻提硬脑膜表面，使其与脑组织分离。可使用显微剪刀剪开硬脑膜，或用硬脑膜钩进行侧向牵拉撕开。使用硬脑膜钩时应注意避开脑表面的血管。当硬脑膜被切除时，应可见脑脊液（CSF）渗出，并可观察到硬脑膜表面颜色的变化。
- 将硅电极的接地导线小心地缠绕在接地螺钉基部，并用牙科水泥固定。放置硅电极时应小心操作，使电极导线呈拱形跨越颅骨开窗区域。
- 电极植入将通过安装在立体定位仪上的线性电机驱动器完成。为将电极固定于植入装置，需用焊枪加热聚乙二醇（PEG），并将其涂覆于植入杆和记录电极上。
- 电极固定后，手动将电极尖端缓慢下降至脑表面目标立体定位坐标位置。
- 通过线性驱动器的软件界面控制，将电极推进至脑组织内的目标深度。
- 通过将聚乙二醇（PEG）从邻近螺钉连接至电极导线，固定记录电极。随后可通过滴加生理盐水溶解PEG结合物，将电极从植入装置上取下。将植入装置从颅骨开窗处抬起，对每个电极重复上述操作。
- 用生理盐水浸湿的明胶海绵覆盖暴露的颅骨开窗区域。随后使用硅胶聚合物覆盖电极导线，以保护其免受牙科丙烯酸树脂的影响。将连接器置于最终位置后，涂抹牙科丙烯酸树脂以形成坚固的头帽。
4. 微型皮层脑电图电极植入手术步骤
- 植入微阵列皮层脑电图（microECoG）电极需要进行稍大的开颅手术。对于5 × 5 mm的装置，需制作6 × 6 mm的颅骨窗。在钻颅骨窗之前，将紫外光固化牙科丙烯酸树脂涂布于颅骨窗区域的周边部位，此时该区域仍保持干燥，避免接触硬脑膜或软脑膜。
- 使用无菌外科钻头配合#107钻头，按颅骨窗的大致形状去除骨表层。随后使用较小的#106钻头将剩余骨质进一步磨除，直至形成一层薄而透明的骨膜。此时可用咬骨钳将残留的骨片移除。microECoG电极可置于硬脑膜外或硬脑膜下。操作过程中需持续使用人工脑脊液或生理盐水保持硬脑膜湿润。
- 为植入microECoG电极，需将立体定位臂置于开放的颅骨上方，并使用无菌胶带将电极固定于臂上。随后可将电极缓慢下降至颅骨窗内。确保电极记录位点朝下，并与硬脑膜或软脑膜表面接触。若保持湿润，电极应能顺利贴附于组织表面并保持稳定位置。
- 接地导线通过在接地螺钉上至少缠绕三圈（上下交替）的方式连接。接地螺钉可为任何已接触硬脑膜的螺钉。参考电极导线也可采用相同方式连接至参考螺钉。
- 应在电极周围暴露硬脑膜或软脑膜的区域放置少量浸有生理盐水的明胶海绵（Gelfoam）小块。同时，少量浸有生理盐水的明胶海绵也应覆盖于薄膜电极的顶部。可在明胶海绵上方涂抹紫外光固化牙科丙烯酸树脂，以构建稳定的头帽结构。丙烯酸树脂应直接涂布于薄膜电缆表面，直至覆盖至连接器位置。注意避免超出连接器帽底部范围。
- 或者，在完成步骤4.3中microECoG电极的植入后，可立即通过microECoG基底上预制的小孔植入硅基微电极阵列（参见步骤3.2–3.6）。该方法可实现对不同深度的单个神经元放电与周围脑表面高分辨率场电位信号的同步记录。
5. 术后恢复
- 待水泥完全硬化后，将皮肤在头帽周围紧密缝合，并将动物从立体定位仪上取下。
- 在伤口周围大量涂抹抗菌粉或抗生素软膏。若耳朵有出血，将适量抗生素置入耳道内。
- 保持动物体温，因为巴比妥类药物会抑制动物维持自身体温的能力。将每只慢性植入动物单独饲养在独立笼具中。动物通常需要四到七天才能完全从手术中恢复。
6. 典型结果
一次成功的硅电极植入手术中，记录位点的阻抗应介于 500 kOhm 至 2 MOhm 之间（在 1 kHz 条件下），而薄膜电极的阻抗应介于 10 kOhm 至 50 kOhm 之间。术后可立即检测神经信号。你应该能够在植入式电极上观察到尖峰信号，并在薄膜表面电极上观察到慢波振荡（图 1）。
图1. 单个神经元活动与颅外皮层脑电图（ECoG）振荡的代表性结果。 a) 来自植入新皮层的慢性硅电极中6个同时记录通道的宽带数据。注意，动作电位常可在多个记录位点间被观察到。b) 来自覆盖于脑表面的16通道薄膜微颅外皮层脑电图（uECoG）电极阵列中6个通道的ECoG振荡信号。每条信号均去除了全部16个通道信号的均值（公共平均参考），并应用了500 Hz数字低通滤波器。
讨论
近年来，使用皮层内和表面多通道记录接口来研究脑功能2、提供微刺激3或为神经假体系统提供控制信号的兴趣日益增加4,5。本视频中介绍的方法展示了如何植入慢性穿透性和表面电极系统。尽管已存在其他硅基慢性电极系统6，但我们重点介绍由NeuroNexus Technologies开发的平面电极的植入方法7,8。其他电极系统的植入技术将有显著差异。
在所述的手术步骤中，将动物固定在立体定位仪耳杆上可能是最难且对植入电极定位准确性影响最大的一步。因此，必须格外小心，确保每个耳杆尖端都正确地位于动物的外耳道内。确认耳杆尖端已置于动物右耳外耳道后，用右手松开动物颈部，同时用左手拇指和食指继续支撑头部，并将头部压向右侧耳杆尖端。用右手推动已松开的左侧耳杆进入左侧外耳道，并施加轻微向内的压力。移动动物头部的左侧，使其向下、向前并轻微转动，直到感觉到左侧耳杆尖端滑入外耳道。用右手持续对左侧耳杆施加压力，然后松开动物头部，用此时空出的左手拧紧左侧耳杆的固定螺钉。
披露
DRK 是 NeuroNexus Technologies 的部分所有者。
致谢
本工作由神经通信技术中心（Center for Neural Communication Technology，CNCT）资助，CNCT 是由国家生物医学成像与生物工程研究所（National Institute of Biomedical Imaging and Bioengineering，NIBIB，P41 EB002030）资助的 P41 资源中心，并得到美国国立卫生研究院（National Institutes of Health，NIH）的支持。作者谨此感谢 NeuroNexus Technologies 公司的 Rio Vetter 在手术技术开发方面的贡献，以及密歇根大学的 Paras Patel 在整理手术所用设备清单方面的工作。
材料
| 姓名 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
|---|---|---|---|
| 骨科螺钉 - #2-56 × 3/16，十字盘头，18-8 不锈钢 | BoltDepot | 7650 | |
| 骨螺钉 - #2-56 × 1/8，十字盘头，18-8 不锈钢 | BoltDepot | 9617 | |
| 大型氧气罐 - K 型 | 低温气体 | OXKME | |
| 小型氧气瓶 - E型 | 低温气体 | OXYE-AL | |
| Vannas-Tubingen弹簧剪 - 2.5 mm刀片，成角 | 精细科学工具 | 15002-08 | |
| Dumont #5 镊子，聚四氟乙烯 | Fine Science Tools | 11626-11 | |
| Dumont #5 镊子，Dumostar | Fine Science Tools | 11295-10 | |
| 学生用瓦纳斯弹簧剪 | Fine Science Tools | 91500-09 | |
| Adson 镊子 | Fine Science Tools | 11006-12 | |
| 弗里德曼-皮尔逊牵开器，弯曲型 | Fine Science Tools | 16221-14 | |
| 虹膜剪 - ToughCut | Fine Science Tools | 14058-11 | |
| Vannas-Tubingen 弹簧剪 - 5 mm 刀刃，直型 | Fine Science Tools | 15003-08 | |
| 手术刀柄 | Fine Science Tools | 10003-12 | |
| 塑料灭菌盒 | 精细科学工具 | 20810-02 | |
| 不锈钢尺 | Fine Science Tools | 30086-15 | |
| 探针 && 刮刀 - 直型 14 cm | Fine Science Tools | 10090-13 | |
| 直型止血钳 | Fine Science Tools | 13002-10 | |
| 止血钳（弯型） | 精细科学工具 | 13003-10 | |
| 微型钻头不锈钢钻针 - 0.7毫米 | 精细科学工具 | 19008-07 | 10/包 |
| 微型钻头不锈钢钻针 - 0.5毫米 | Fine Science Tools | 19007-05 | 10/包 |
| 自攻骨螺钉 - 1.17毫米（直径） - 4.7毫米（长度） | Fine Science Tools | 19010-00 | 100/包 |
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| 聚维酮碘 | Fisher Scientific | 19-066452 | 瓶 |
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| 六件套内六角螺丝刀套装 | 国家珠宝商供应公司 | ETSCR98001 | |
| Kwik Sil 粘合剂 | World Precision Instruments, Inc. | KWIK-SIL | |
| Kwik Sil 管 | World Precision Instruments, Inc. | 600009 | |
| 慢性硅电极 16 至 64 导联 | NeuroNexus Technologies | 探针设计的差异 | |
| 慢性薄膜表面电极（微电极）–CoG）16 至 32 个位点 | NeuroNexus Technologies | 探针设计的差异 |
参考文献
- Paxinos, G. A. The Rat Brain in Stereotaxic Coordinates. , Sixth Edition, Academic Press. (2007).
- Fujisawa, S. A. Behavior-dependent short-term assembly dynamics in the medial prefrontal cortex. Nat. Neurosci. 11 (7), 823-833 (2008).
- Merrill, D. B. Electrical stimulation of excitable tissue: design of efficacious and safe protocols. J. Neurosci. Methods. 141, 171-171 (2005).
- Gage, G. J. Naive coadaptive cortical control. J. Neural Eng. 2, 52-52 (2005).
- Marzullo, T. L. Development of Closed-Loop Neural Interface Technology in a Rat Model: Combining Motor Cortex Operant Conditioning With Visual Cortex Microstimulation. IEEE Trans. Neur. Sys. and Rehab. Eng. 18 (2), 117-126 (2010).
- Maynard, E. N. The Utah intracortical electrode array: a recording structure for potential brain-computer interfaces. Electroencephalogr. Clin. Neurophysiol. 102, 228-239 (1997).
- Kipke, D. V. Silicon-substrate intracortical microelectrode arrays for long-term recording of neuronal spike activity in cerebral cortex. IEEE Trans. Neural Syst. Rehab. Eng. 11 (2), 151-155 (2003).
- Vetter, R. W. Chronic neural recording using silicon-substrate microelectrode arrays implanted in cerebral cortex. IEEE Trans. Biomed. Eng. 51 (6), 896-904 (2004).
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