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方法文章

通过可移动硅探针在行为啮齿类动物中进行大规模神经元记录

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DOI：

10.3791/3568

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2012年3月4日

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1Center for Molecular and Behavioral Neuroscience, University of New Jersey, 2Center for Interdisciplinary Research in Biology, Collège de France, 3Janelia Farm Research Campus, Howards Hughes Medical Institute, 4Deptartment of Psychology, University of Wisconsin at Milwaukee

本文内容

摘要

我们介绍了利用硅探针在活动中的啮齿类动物体内进行大规模多单细胞单位和局部场电位记录的方法。文中详细展示了驱动器的制作、探针与驱动器的连接以及探针植入过程，以便于轻松重复操作。

摘要

神经科学领域的一个主要挑战是将行为与神经元群体的集体活动联系起来。要理解神经元和神经回路的输入-输出关系，就需要具备适当空间选择性和时间分辨率的方法，以便在行为动物中对神经元群体进行机制性分析，即记录具有代表性的大量分离单个神经元。在过去十年中，无论是在小脑动物还是大脑动物（包括人类受试者）中，神经元活动的群体监测都取得了显著进展1-11。基于硅材料的多点记录装置尤其有效，因其具有可扩展性、体积小以及几何结构设计的优势。

本文介绍了使用市售的微加工硅探针及自制辅助部件，在行为动物（啮齿类）中记录多个单个神经元和局部场电位的方法。硅探针与前置放大器的连接有两种基本方式：印刷电路板和柔性电缆。探针供应商（http://www.neuronexustech.com/；http://www.sbmicrosystems.com/；http://www.acreo.se/）通常提供焊接服务，并交付已连接至印刷电路板或柔性电缆的探针。本文详细描述了一种将4叉32记录位点的探针连接至柔性聚酰亚胺电缆，并安装于可移动微驱动装置上的植入方法。探针制备、微驱动装置构建以及手术的每一步均配有图示，以便最终使用者能够轻松重复该流程。

方案

1. 微驱动装置的构建

所有驱动装置均由相同的基本部件构成：一个携带电极的可动部分，以及一个固定在颅骨上的固定部分。理想的微型驱动装置应能使电极以多个微小步进平稳且行程足够地移动，结构坚固以防止电极意外位移，便于实验人员操作且不干扰动物行为，同时体积小、重量轻。由于这些相互制约的要求，不同的驱动装置适用于不同的应用场合。

构建我们的基本驱动装置仅需四个部件：一个黄铜平头螺丝、一个匹配的螺母、一个由单排针状插头制成的塑料支架，以及两块定制切割的黄铜板。

  1. 从排针上折下一段3针的引脚
  2. 轻轻拔出中间的引脚。
  3. 使用#55号钻头钻孔，以扩大孔径。
  4. 使用00-90丝锥进行攻丝。
  5. 从黄铜板上切割出两块材料。
  6. 使用Dremel工具对黄铜板边缘进行锉削。
  7. 使用#65号钻头在两块黄铜板的中央钻孔。
  8. 组装驱动部件，使黄铜板与引脚接触。具体操作为：依次将黄铜螺丝穿过第一块黄铜板、带螺纹的排针孔、第二块黄铜板，最后旋入螺母。轻轻拧紧螺丝，使整个组件保持稳定。
  9. 将引脚末端焊接到黄铜板上。
  10. 锉平螺丝外露的端部。
  11. 将螺母焊接到螺丝上，注意不要将螺母与黄铜板焊在一起。
  12. 测试驱动装置的运动：顺时针旋转螺丝，以抬升塑料桥接部分。

2. 准备硅探针

在将探针固定到驱动装置之前，需对探针的焊接区域增加额外绝缘，以防止脑脊液（CSF）或湿气导致短路：

  1. 按10:1的比例称重并混合Sylgard弹性体组分。
  2. 使用 sharpened 棉签将Sylgard涂抹在探针的顶端。
  3. 在预热至60°C的烘箱中干燥2小时。

为确保记录位点无任何碎片残留，需要清洁探针尖端：

  1. 配制 4% 的 Contrad 去垢剂稀释液。
  2. 将探针在 63°C 的去垢剂中浸泡至少 2 小时。
  3. 通过将探针反复浸入蒸馏水中，冲洗掉去垢剂。

在将探针固定到驱动装置之前，应检查每个记录位点的阻抗：

  1. 将探针浸入0.9%生理盐水中，并连接至阻抗测量仪。若过多记录位点的阻抗不正确，则重复步骤2.4–2.6，或考虑使用其他探针。本实验中使用的是Frederick Haer, Co. (FHC)公司的阻抗调节模块，结合自制的通道选择器。或者，也可使用NeuroNexus, Inc.公司的niPOD或Neuralynx, Inc.公司的NanoZ，以同时监测探针所有通道的阻抗。

3. 将探针固定到微型驱动装置

  1. 使用剃刀刀片在基座上切割出多个凹槽，以形成粗糙的表面。
  2. 将探针贴合至驱动装置的基座。此操作最好在手术显微镜下进行，用夹具固定驱动装置，并通过显微操作器调整探针位置，使探针的针柄与驱动螺钉完全平行。这可确保在推进过程中，探针针柄进入脑组织时不会“切割”组织。此时应确定探针尖端相对于驱动装置底部的精确深度，并考虑目标结构距颅骨表面的深度。
  3. 随后用固定水泥将探针固定在基座上。
  4. 可选步骤：为在脑组织中可视化探针轨迹，可在该阶段将DiI溶液（1-2%溶于乙醇）涂抹于探针背面。

4. 准备颅骨

手术前，准备参考电极、接地电极以及头戴式法拉第笼的各个部件：

  1. 截取两段2英寸长的铜线，将每根绝缘铜线的一端约1 mm处进行镀锡焊接。
  2. 使用针头刮擦一颗00-90、1/8英寸的不锈钢螺钉头部，并将一段铜线焊接到其上。焊接此类不锈钢接地螺钉电极时，需使用适当的助焊剂（例如La-Co公司的N-3通用助焊剂）并保持较高的烙铁温度。注意防止焊料流入螺钉的槽口中。此螺钉将用作接地电极。用另一颗螺钉和铜线重复该步骤，制备参比电极。
  3. 从铜网中裁剪出梯形小片。这些小片将用于组装以保护前置放大器头部。

手术器械和准备工作与许多小型动物手术中使用的相同。整个手术均在深度异氟烷麻醉下进行，并遵循美国国立卫生研究院（NIH）批准的指南，采用无菌条件操作。请注意，本视频中展示的（模拟）手术仅用于演示目的。为了获得适当的可视性和拍摄效果，一些术前准备步骤、手术注意事项以及术后处理未被展示/可见或未作讨论。

手术前，应按照适当的程序对所有组件和用品进行灭菌（参见《存活啮齿类动物手术指南》；http://oacu.od.nih.gov/ARAC/surguide.pdf）。手术过程中，使用无菌巾隔离并准备颅骨上的无菌区域。手术结束时，局部应用广谱抗生素，并肌肉注射长效止痛药（例如，丁丙诺啡 [Buprenex] 0.05 mg/kg）。此外，在术后5天内，将止痛药（例如，布洛芬）以约60 mg/kg/24小时的剂量加入饮水中给予。有关正确的外科和麻醉操作程序，请参考适当的资料来源12。

  1. 将动物固定于立体定位仪中，剃除并清洁头皮13。
  2. 沿中线切开皮肤，向两侧推开头皮。去除骨膜，清洁并干燥颅骨。
  3. 测量前囟（bregma）与后囟（lambda）的位置和距离，并根据立体定位图谱14确定探针植入位点的 x 和 y 坐标。用手术刀在颅骨上刮出十字标记以标定位置。
  4. 使用圆头钻头（¼ 号）钻开颅骨，并将支撑螺钉（不锈钢，000-120，1/16"）部分旋入颅顶和侧面不同骨板中。这些螺钉将作为锚定点，用于牢固连接头件与颅骨。
  5. 在小脑上方钻孔，插入步骤 4.2 中制备的接地电极和参考电极。在记录局部场电位（LFP）时，参考位点的选择至关重要。该位置被选用是因为小脑的 LFP 幅度在所有皮层区域中最小，且在此中线位置肌肉伪迹最少。
  6. 使用小刷子将牙科活化剂（Metabond 试剂盒）涂布于整个颅骨表面，随后用 0.9% 生理盐水冲洗。
  7. 将牙科水泥（Metabond 试剂盒；按制造商说明进行混合）涂抹于颅骨上，仔细覆盖锚定螺钉以及接地和参考电极，但需留出探针植入部位不被覆盖。
  8. 将步骤 4.3 中制备的四个铜网片固定到颅骨上。具体操作为：将每个铜网片的窄基部用水泥分别粘附于颅骨的前侧、左侧、右侧和后侧。铜网不得直接接触骨组织，必须始终由一层水泥隔开。

5. 准备脑表面

  1. 使用圆头钻头，分多个阶段在植入部位周围钻孔，同时频繁用生理盐水冲洗骨骼。
  2. 小心移除骨瓣，并冲洗脑表面。
  3. 若需插入多叉探针，需切除较大范围的硬脑膜。切除硬脑膜需要两种工具：手术刀和由昆虫针制成的钩子（也可使用标准的钨微电极）。通过将针尖抵压在坚硬表面（例如玻璃显微镜载片）将其弯曲，并将其固定于手柄上（此处使用一段木柄棉签；也可使用显微解剖针持针器）。
  4. 用钩子轻轻提起硬脑膜，再用手术刀进行切割。操作时需特别注意避免损伤软脑膜、血管及新皮层表面。轻微出血可通过生理盐水冲洗止血。若发生严重出血或新皮层受到任何损伤，应考虑终止手术并准备另一只动物。

6. 植入探针

在此阶段，需仔细评估皮层表面血管的密度和走向。应调整立体定位坐标，因为探针必须穿透无较大血管区域的脑组织。

植入时，可用鳄鱼夹夹住驱动组件，并将其固定在立体定位仪支架上。保持脑表面和探针尖端的无遮挡视野对于成功穿刺至关重要。

  1. 在持续用生理盐水冲洗颅骨开窗区域的同时，缓慢将探针下降至目标位置上方约 1 mm 处。进行新皮层记录时，将探针尖端插入皮层约 0.5 mm，随后再抬升回近表面位置。
  2. 通过针头将加热熔化的石蜡与石蜡油混合物（10–20 g 石蜡溶于 10 mL 石蜡油，65°C 加热）涂抹于颅骨开窗处以进行封闭。使用前将混合物冷却至 30°C 并测试其密度，其硬度应足够柔软，以允许探针顺畅移动。为实现完全覆盖，可通过将微型电灼器的尖端靠近已凝固的石蜡，使混合物原位熔化。
  3. 使用固定胶将驱动装置底部粘附于颅骨上，注意确保螺母可自由旋转。此阶段必须极其小心，避免驱动装置受到任何意外碰撞，否则探针将损伤皮层。驱动装置固定于颅骨后，应验证探针是否可平稳移动。
  4. 将探针的连接器部分用胶固定于颅骨上。

7. 构建头部安装的法拉第笼

  1. 将铜网片向上拉起并组装成围绕探针和驱动装置的保护性圆筒。该圆筒还可作为电屏蔽层，以减少环境噪声以及行为动物中带电胡须产生的慢波伪迹。
  2. 通过剪除多余材料调节圆筒高度，使铜网与探针连接器顶部齐平。
  3. 将参考电极和接地螺丝上的导线焊接到连接器的相应引脚上。同时将相邻的铜网片相互焊接，以确保其电连续性，并将接地导线焊接到铜网上。
  4. 在铜网上涂覆一层握力胶（grip cement），以增强结构强度，并防止金属与动物皮肤直接接触。可选地，可再涂一层环氧树脂以进一步加固头戴装置。
  5. 测试驱动螺丝的运动情况。
  6. 用剪裁自橡胶手套的一块材料覆盖头戴装置的顶部。

8. 在自由活动动物中进行记录

  1. 经过适当的术后护理后，使用高阻抗前置放大器和轻质超柔性多股电缆将动物连接到记录系统。需平衡头部装置的重量。
  2. 每天在动物的饲养笼内检测记录质量。通过神经元放电模式和局部场电位的波形来判断记录位点的位置。通过每天微调螺钉（通常每次旋转1/8至1/4圈，即35–70 µm）逐步降低探针，直至到达目标脑区。

9. 代表性结果

电生理信号（局部场电位和单个神经元活动）随记录的脑区结构以及动物当前的行为状态而变化。图1展示了大鼠在开放场中探索时，海马CA1区32通道记录的示例。注意在探索过程中，局部场电位呈现出明显的8 Hz（θ波段）振荡，并在多个探针臂和记录位点上叠加有神经放电活动（箭头所示为放电示例）。为了分析神经元的单细胞活动，需通过波形的聚类分析对动作电位进行检测和分类，以分离出单个神经元单位15-16。

神经信号记录、多通道电生理数据、示意图、时间序列分析
图1. 使用4根电极臂×8个记录位点的硅探针在行为学实验大鼠中进行CA1海马区记录。记录信号为宽带信号，采样频率为20 000 Hz，可用于同时研究局部场电位振荡（如“theta”频段8 Hz节律）和神经元放电活动。

电极连接方法表格；详细列出神经科学研究中的材料、替代品和备注。
表 1. 所用试剂和设备的替代方案。请点击此处查看此图的放大版本。

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讨论

本视频展示了在行为学实验大鼠中植入硅探针以进行慢性大规模神经记录的操作过程。由于生物材料（脑组织）和技术材料（硅探针）均较为脆弱，为确保获得高质量的神经元活动记录，需特别注意若干关键步骤。操作探针时应格外小心，避免探针针体与任何相对“坚硬”的表面接触（例如，若未先去除硬脑膜而直接植入，针体会断裂）。同样，在准备脑表面或植入后因碰撞探针或驱动装置而对脑组织造成的任何损伤，都会导致细胞受损，从而影响单细胞单位放电活动的记录。此外，应检查接地电路是否通畅，因为脑脊液、接地螺钉、铜线、铜网片以及连接器上的接地引脚之间的任何电路中断，都会导致显著的运动伪迹和/或工频干扰（50 Hz 或 60 Hz）。如果法拉第笼高度不足，突出的微型驱动装置可能起到天线作用。可通过将驱动装置也进行接地来防止天线效应（在驱动装置与铜网之间焊接另一根铜线即可）。参考信号通路也应进行类似的检查。

我们演示了单个硅探针的植入，但在经过一定练习后，使用多个探针和驱动装置进行多点记录也可轻松实现。此外，我们正在使用类似但更小的驱动装置，用于在小鼠脑内植入硅探针。商用的硅探针以及探针-柔性电缆-连接器组件，结合小型多通道前...

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披露

未声明任何利益冲突。

致谢

玛丽·居里国际外派研究员项目（欧盟第七框架计划2007-2013资助协议编号 #221834 和 254780）、J.D. 麦克唐纳基金会、美国国家科学基金会资助项目 SBE 0542013、美国国立卫生研究院资助项目 NS034994、美国国家精神卫生研究所资助项目 MH5467 以及霍华德·休斯医学研究所（珍利亚农场研究园区资助项目）。

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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
硅探针 Buzsaki32，4 排 × 8 个位点。包装：柔性聚酰亚胺电缆材料NeuroNexus Technologies探针：buzsaki32 包装：HC32记录探针
黄铜圆头螺钉，00-90 × 1/2 英寸圆头黄铜螺钉材料JIMorrisR0090B500驱动部件
黄铜六角螺母，00-90材料JIMorrisN0090B驱动部件
黄铜 C260 条材，ASTM-B36 标准，厚度：0.025"，长度：12"，宽度：1/2"材料Small Parts, Inc.B000FMYU72驱动部件
连接器插头，节距 2 mm，公头，单排，直型，36 针材料Digi-Key2163S-36-ND驱动部件
双组分 Sylgard 硅橡胶弹性体材料World Precision Instruments, Inc.SYLG184用于探针额外绝缘
Decon Contrad 70 液体清洁剂试剂Fisher Scientific04-355 Decon Laboratories 产品编号：1002用于清洁记录位点
阻抗调节模块设备FHC, Inc.55-70-0阻抗计
niPOD - 32 通道设备NeuroNexus TechnologiesniPOD -32阻抗计
Grip Cement 工业级粘合剂材料Caulk Dentsply675571（粉末）675572（溶剂）Grip cement
1,1’-二十八烷基-3,3,3’,3’-四甲基吲哚羰花青高氯酸盐（’DiI’; DiIC18(3)）试剂InvitrogenD282用于染色脑内探针轨迹
不锈钢机械螺钉，绑缚头，开槽驱动，#00-90，1/8"材料Small Parts, Inc.MX-0090-02B接地和参考电极螺钉
磁性漆包线，20G，尼龙-聚氨酯涂层，MW80材料Small Parts, Inc.B000IJYRP2接地和参考导线
不锈钢机械螺钉，绑缚头，开槽驱动，#000-120，1/16"材料Small Parts, Inc.MX-000120-01B锚定螺钉
N-3 通用型液态助焊剂试剂La-Co (Markal)23512用于焊接不锈钢
MicroGrid 精密扩展铜网材料Dexmet3 CU6-050 FA用于头部法拉第笼的铜网
C&B-METABOND Quick! 水泥系统 - 牙本质活化剂材料ParkellS380
C&B-METABOND Quick! 水泥系统 - 牙科水泥材料ParkellS380
尖头钨针及针夹工具Roboz Surgical Instruments Co.RS-6064 和 RS-6061用于制作钩子以提起硬脑膜
碳化钨钻头 HP 1/4工具Henry Schein9990013
石蜡（颗粒状）材料Fisher ScientificP31-500
矿物油，轻质（NF/FCC）材料Fisher ScientificO121-1
GC ELECTRONICS 10-114 双组分环氧粘合剂材料Newark Inc00Z416
1 型 LITZ 线，21 AWG，40/36 股，红色单层聚氨酯-尼龙涂层（MW80-C），外径 0.041" ± 0.002"材料New England BiolabsN28-36E-400-2用于制作前置放大器与主放大器之间的连接电缆
32 通道超大规模集成电路前置放大器，增益 20 倍设备PlexonHST/32V-G20前置放大器

参考文献

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