本文描述了用于从小鼠脑内进行在体电生理记录脑信号的微型驱动装置的设计与组装方法。通过将微电极束固定在坚固且可驱动的载体上，这些技术可实现长期且稳定的神经信号记录。该装置的轻量化设计使得动物在植入驱动装置后仍能不受限制地完成各种行为学任务。
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摘要
摘要
对自由活动动物大脑进行的先进电生理记录，使研究人员能够在动物执行实验相关任务的同时，同步检测神经元群体的局部场电位（LFPs）以及单个细胞的动作电位。通过长期植入的微型驱动装置，可在数周时间内持续进行脑部记录。微型化驱动器和轻量化组件使得这类长期记录可在小鼠等小型哺乳动物中实现。利用由四根紧密绞合的电极组成的簇状电极（tetrodes，每根导线直径为12.5 μm），可分离出位于大脑浅层区域（如大脑皮层、背侧海马和下托）以及深层结构（如纹状体和杏仁核）中具有生理活性的神经元。此外，该技术能够在动物执行多种行为任务时，确保神经记录的稳定性与高保真度。本文描述了多种已优化用于小鼠脑部记录的技术方法：首先，介绍如何制备簇状电极，将其装入可驱动的套管中，并对其尖端进行镀金处理，以将阻抗从兆欧（MΩ）范围降低至千欧（KΩ）范围；其次，展示如何使用低成本材料构建可自定义的微型驱动装置，用于携带并垂直移动簇状电极；第三，说明组装商用微型驱动器（Neuralynx VersaDrive）的步骤，该装置设计用于承载可独立移动的簇状电极；最后，展示在小鼠背侧下托区域记录到的局部场电位和单细胞单位信号的代表性结果。这些技术可轻松调整，以适应小鼠脑内不同类型电极阵列和记录方案的需求。
引言
使用微电极技术记录细胞外神经信号 体内 在神经科学领域具有悠久而重要的传统 1, 2然而，对自由活动动物的多个脑区进行电活动记录的能力是一项较新的技术，随着神经信号采集、分析与鉴别软件包的日益成熟和用户友好性提升，该技术正变得越来越普遍。 3, 4软件方面的技术进步还伴随着可植入设备在重量和体积上的减小，这些设备已缩小到足以用于小哺乳动物（如小鼠）的记录。通过使用轻质（主要是塑料）组件，研究人员能够构建微型驱动装置，从而实现电极或四极电极的独立定位，以靶向多种不同的脑区 5-7。即使是杏仁核等深部脑结构 6 和纹状体 5，可通过选择适当长度的驱动螺钉进行常规定位。这些记录技术使研究人员能够获得高保真的神经信号，并与细胞内记录的单个神经元电活动保持同步。 8, 9使用这类微型驱动装置，我们已成功在植入后长达两个月的时间内从小鼠体内记录到单个神经元的放电活动。 10此外，由于这些设备重量轻（约1.5–2.0 g），在多种行为学任务中，植入设备小鼠的行为表现与未植入小鼠相当。特别是，我们已证明植入小鼠在新物体识别任务中表现出正常的行为能力。 10 以及物体位置任务（未发表数据）。
使用与多个四极电极耦合的微型驱动装置，可使研究人员在记录大脑内多个单细胞单位信号的同时，在网络水平上监测和分析神经活动。利用这些四极电极进行记录在单细胞单位识别方面具有多项显著优势，能够高精度地获取并区分多个单细胞单位信号11。本文介绍了如何制备四极电极束并对其进行镀金处理，随后将其装入可驱动的电极载体中。我们描述的一种驱动载体为 commercially available（商业可购得），另一种则是结构简单但易于扩展的设计，可在无需大量资源投入的情况下容纳多个载体和四极电极排列方式。
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方案
1. 四极电极的制备
- 首先使用来自 California Fine Wire 的绝缘铂铱合金丝，其芯径为 12.5 μm（0.0005 英寸）。应根据目标脑区将金属丝裁剪至适当长度。例如，若靶向背侧下托或海马体，则应将金属丝裁剪至至少 30 cm 长。
- 将金属丝从中间对折，形成两根平行的 15 cm 长金属丝。将对折后的中点搭在水平臂上，形成四根平行的 7.5 cm 长金属丝。随后将带橡胶涂层的夹子固定在下垂的金属丝底部附近，形成由四根金属丝组成的束状结构。
- 将橡胶夹子放入电动四极丝旋转仪中，确保金属丝绷紧，但不可过紧或承受重量，否则在旋转过程中会断裂。
- 将四极丝旋转仪切换至“手动”模式，并将操纵杆推向“右”侧，使金属丝顺时针旋转。旋转仪将以约 2 Hz 的频率转动，将四根金属丝紧密缠绕成四极丝电极。
- 施加 80 次顺时针旋转后，将操纵杆推至“上”方以停止旋转，使电机暂停。随后施加 20 次逆时针（“左”）旋转，以释放四极丝上的张力。最终每微米长度金属丝的净旋转圈数应为 8 圈。
- 使用加热枪的最低档位 1（最高温度可达 400 度），通过熔化 VG 键合涂层使金属丝融合在一起。将加热枪保持在距离金属丝约 2 cm 处，并从多个不同角度在金属丝的直线段上来回移动约 5 秒。务必持续扫动加热枪，避免在任何单一位置停留过久，否则会熔化 HML 绝缘层，导致金属丝在束内意外粘连。
- 在四极丝顶部（靠近水平臂处）进行切割，然后从底部夹子上取下四极丝。切断单个环状部分，使四极丝一端形成四根独立的金属丝，这些金属丝将在后续步骤中与金针或电路板实现电连接。
- 将制备完成的四极丝电极放入无尘储存盒中保存，直至微驱动装置制作完成。
2. 定制微型驱动装置组装
- 首先构建用于固定微驱动装置的基座。通常，将微驱动装置的基座固定在颅骨中线位置时最为稳定。本方案描述了构建一个可容纳四个聚酰胺管载体的单微驱动装置基座的步骤。可根据需要轻松增加额外的微驱动装置和导管。
- 取一块约 20 mm 见方的 Plexiglas 丙烯酸材料（厚度 5 mm），将其打磨成特定形状，以确保在植入头部后小鼠能够自由活动。
- 接下来组装驱动单元。使用定制的 3.3 × 6.3 mm 黄铜导管来承载驱动螺钉。首先将两个黄铜导管垂直焊接在一起。垂直的黄铜导管用于固定驱动螺钉和电极，而水平部分则将被粘接到丙烯酸基座上。
- 将黄铜部件焊接在一起后，开始组装驱动装置本身：将一个带圆头的黄铜螺钉从导管顶部穿入，并旋入 Delrin 塑料块中。该方形塑料块的设计使其螺纹孔略微偏离中心（偏移 0.2 mm），从而使塑料块的一侧从导管中略微突出。这一侧即为承载电极的聚酰胺管的安装位置。
- 将 Delrin 块放入导管内，并将螺钉完全穿过，然后在螺钉末端旋上一个六角黄铜螺母，直至螺母接近导管底部。不要完全拧紧螺母，而是熔化少量焊料至螺母末端，以将螺母与螺钉连接，但需注意不要将焊料沾到导管上。此时旋转螺钉应能使 Delrin 块沿螺纹垂直上下移动（顺时针上升，逆时针下降）。剪去超出焊固螺母的螺纹部分。
- 完成驱动装置组装后，返回丙烯酸基座，在电极驱动装置所在位置切割一条宽 3 mm 的槽。将水平黄铜导管穿过该槽，然后使用氰基丙烯酸酯胶水将其牢固粘接在基座上。
- 将丙烯酸基座固定在台钳中以保持稳定。将电子接口板（EIB）放置在基座上方，并标记出两个螺丝孔的位置。EIB 是一种微芯片，用于连接电极导线与前置放大器头级。使用 1.5 mm 钻头在标记处小心钻孔，用于安装固定 EIB 的螺丝。放置 EIB 并将两颗黄铜螺丝旋入孔中。
- 使用微型解剖剪刀切割四段长度为 7 mm 的聚酰胺管。将这四根管并排排列在折叠的实验室胶带上。在中间位置滴加氰基丙烯酸酯胶水以将其粘合，但需注意避免胶水进入管腔内部。待粘合后的管组完全干燥。
- 将驱动基座旋转 90 度，使 EIB 芯片处于垂直方向，驱动装置呈水平状态，且突出的 Delrin 块朝上。在解剖显微镜下，小心地在 Delrin 块表面轻点少量氰基丙烯酸酯胶水，然后将四根已粘合的聚酰胺管放置于胶水上。待胶水完全固化后再移动驱动装置。
- 测试聚酰胺管是否牢固固定，并确认整个组件能够平稳移动，不与导管接触或受到任何阻力。
- 接下来准备接地螺钉并将接地导线连接至 EIB。取一颗黄铜螺钉（3/32"）并打磨螺纹部分，直至仅保留 1–2 圈螺纹。打磨后长度约为 1 mm，该螺钉将置于颅骨内，但不穿透脑组织。
- 剪取一段 30 mm 长的铜线（精确长度取决于动物接地电极在颅骨上的具体位置）。铜线直径应为 100–500 μM（0.004–0.02"），大致相当于 38 AWG 至 24 AWG 的导线。在铜线两端涂抹焊剂。在一端将接地螺钉焊接到导线上；在另一端焊上一个 EIB 金针。该接地导线可暂时放置一旁，在后续植入手术过程中再连接至 EIB。
- 下一步是将电极引导穿过聚酰胺管，并将其连接至 EIB 芯片的通道孔。将驱动螺钉完全顺时针旋转，使导管处于最高位置。
- 对于单根电极，剪取一段 50 mm 长的 Stableohm 50 μM 导线，并将其穿过一根聚酰胺管，使其末端至少伸出管端 2.0 mm（用于靶向下托或海马）。在管顶部滴加少量氰基丙烯酸酯胶水，将导线固定于管上，防止其移动。然后使用金针将导线的自由端连接至 EIB 通道孔。用精细剪刀剪去多余导线。对其他微电极重复此操作。
- 对于连接四极电极（tetrode），从储存盒中取出一个已完成的四极电极。将四极电极的熔合端穿过一根聚酰胺管，使其末端至少伸出管端 2.0 mm（用于下托或海马记录）。在管顶部滴加少量氰基丙烯酸酯胶水，将四极电极固定于管上，防止移动。将四极电极另一端的四根自由导线分别使用金针连接至 EIB 的四个通道孔。剪去多余导线。对其他四极电极重复此操作。
3. VersaDrive 组装
- 开始组装一个四电极VersaDrive；该装置由基座、外壳和顶盖部件组成。
- 将一段聚酰胺管剪成10 mm长，并穿过四电极载体上的最小孔，使管子略微伸出载体（约0.5 mm）。使用5分钟环氧树脂将聚酰胺管固定到位，注意避免环氧树脂进入管内。对另外三个管子和载体重复此步骤。
- 待环氧树脂完全固化后，将每个聚酰胺管穿过VersaDrive基座上的四个孔之一。当四个管子均穿过对应孔位后，将一根昆虫针穿过外侧孔，以固定电极载体的位置，并作为载体移动的导轨。对另外三个载体重复此操作。
- 取顶盖，将其与四根昆虫针对齐，使顶盖覆盖基座，且四电极载体位于顶盖内部。将一根1 mm × 5 mm的机械螺钉穿过顶盖上对应的孔并旋入电极载体中，作为驱动螺钉以控制载体上下移动。对另外三个螺钉重复此步骤。
- 顺时针旋转所有螺钉，直至电极载体到达最高位置，且聚酰胺管从顶盖开口处可见。使用精细的显微解剖剪，在基座下方约1 mm处剪断管子，使四个聚酰胺管长度一致。
- 在解剖显微镜下，小心地将一根四电极线穿过一根聚酰胺管。在推进过程中必须保持电极线完全笔直，任何弯折或扭曲都会导致难以完全穿入。对另外三根四电极线重复此操作。
- 当所有四电极线均进入对应管内后，小心地在每根管顶部滴加少量氰基丙烯酸酯胶水，以固定电极线。注意避免胶水进入载体之间或沾到从顶盖伸出的松散电极线上。
- 将四电极线剪至仅比管子长出2.0 mm（适用于下托或海马体记录）。然后将驱动基座（已插入四根昆虫针）放入VersaDrive夹具中。夹具的另一半用于固定带有所有插座孔的VersaDrive顶盖，以便建立通道连接。
- 将驱动螺钉完全逆时针旋转，使四电极线处于最低位置。
- 在将四电极线连接至金质插座之前，先将接地线连接至顶盖。VersaDrive顶盖在两排孔的中央位置设有两个用于接地的针孔。剪取一段至少30 mm长的铜线（长度取决于颅骨上接地位置），将其穿过其中一个中央孔。铜线直径应为100–500 μm（0.004–0.02英寸），大致相当于38 AWG至24 AWG的导线。将一个金质插座推入孔中以固定铜线，并剪去多余部分。在铜线另一端涂抹助焊剂，并将其焊接到接地螺钉上（参见2.11节）。对第二根接地线重复此操作。
- 接下来，将所有松散的四电极线（共16根）分别穿过顶盖上对应的插座孔。建议从一根四电极开始，将其四根独立导线穿入最终位于其正上方的四个对应孔中。操作单根四电极线时应施加轻柔压力，因其较为脆弱，若夹持过紧易造成压痕或损坏。将顶盖与昆虫针孔对齐后，压入基座完成安装。
- 当四电极线从顶盖伸出后，通过压入金质插座固定导线并建立电连接。当金质插座被压下时，约50%的导线将被剪断（位于顶盖上方）。剪去仍从顶盖顶部伸出的多余导线。在极少数情况下（少于5%），压下金质插座可能导致导线被压碎并在插座下方断裂，造成通道断开。此类断开可能直到阻抗测试和电镀步骤（参见4.7节）时才会被发现。
- 对另外三根四电极重复压入插座的操作。顺时针旋转驱动螺钉，使其回到最高位置，并确保驱动运动顺畅。
4. 电极尖端的镀金
- 无论使用何种类型的微电极，电极尖端均应镀金，以降低尖端阻抗。这将最大限度地提高可靠记录和区分单个神经元动作电位的能力。使用 Neuralynx nanoZ 设备测试电极阻抗。nanoZ 是一种基于计算机的设备，可测量阻抗并实现自动电镀。
- 首先将微驱动器的螺钉顺时针旋至最低位置，然后将其牢固地安装在夹具上，以便将电极尖端浸入镀金溶液中。
- 在一个 Delrin 塔中加入 SIFCO 镀金液，另一个塔中加入蒸馏水。将电极尖端浸入镀金液中。
- 将 nanoZ 的 USB 线插入基于 Windows 的计算机，然后打开 nanoZ 程序。该程序将提供阻抗读数，并对微驱动器的每个连接通道进行镀金处理。
- 在“Device”下拉菜单中选择 nanoZ，随后窗口底部将显示“Connection established”。接着在下拉菜单中选择适当的适配器用于测试。点击“Test impedances”，并将测试频率设置为 1004 Hz（40 个周期，0 毫秒暂停）。点击“Test probe”，将打开“Probe Report”窗口，显示所有可用通道及其对应的 MΩ 读数。通过点击磁盘图标或选择“File”然后“Save report”来保存这些阻抗值。
- 接下来，点击“DC Electroplate”并设置以下参数：模式 = 匹配阻抗，电镀电流 = -1.0 μA，目标值 = 350 kΩ（在 1,004 Hz 下），运行次数 = 5 次，间隔 = 5 秒，暂停 = 2 秒。
- 点击“Autoplate”。程序将首先读取每个通道的阻抗，然后对相应通道施加指定电流，重新测试阻抗并根据需要继续施加电流，直至达到目标阻抗（或更低值）。虽然目标是降低电极阻抗，但某些通道的阻抗可能低于 100 kΩ。在这种情况下，可能是四极电极上的相邻导线发生了短路。若发生此情况，应反转电流极性（+1.0 μA）以去除多余的金颗粒，重新测试该通道的阻抗，然后重复电镀过程。典型情况下，由四根 12.5 μM 导线组成的电极束最终阻抗值范围为 150–325 kΩ。
- 如果存在任一通道未降至 350 kΩ 以下，则需重复电镀过程。程序将跳过已达到目标值的通道，仅对未达标的通道进行电镀。
- 当所有通道的阻抗均已降至可接受范围后，关闭 nanoZ 程序并断开设备连接。将电极从镀金液中提起，移至装有蒸馏水的 Delrin 塔中，以冲洗掉多余的金颗粒。
- 将驱动螺钉逆时针旋转，直至电极升至最高位置。此时微驱动器和电极已准备就绪，可用于植入。
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结果
在植入微驱动装置并将电极降至目标脑区后，需要使用放大式数据采集系统（如 Neuralynx Lynx-8）来记录神经信号。图中展示了从小鼠背侧下托记录到的局部场电位（LFPs）和单细胞动作电位（常称为“尖峰”）的代表性神经信号。 图2LFP信号以3 kHz采样，并在0.1-500 Hz范围内进行带通滤波（图2A 和 2B). 图2A 显示四个连续采样的局部场电位通道，其信号接地不良。这些信号表现出极强的噪声，且在给定的幅值范围内极易饱和。 图2B 展示了来自良好接地的LFP信号的四个通道示例，其中可清晰观察到theta频段（4-12 Hz）的网络振荡。LFP信号使用NeuroExplorer（版本4.0）数据分析软件在“1D数据查看器”中进行可视化。
单细胞锋电位通道以 30 kHz 采样，并在 0.5–9 kHz 范围内进行带通滤波。使用四极电极的主要优势在于，它能够通过多个记录点对来自假定单个神经元的信号...
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讨论
我们介绍了一套用于构建轻便紧凑型微型驱动装置的技术，可用于记录小鼠的细胞外单细胞和场电位活动。通过使用丙烯酸玻璃（甲基丙烯酸甲酯）加工定制微型驱动装置的基座，该核心系统可轻松适配多个驱动装置，并可靶向多种不同的神经区域。我们已成功改进该系统，实现了在小鼠中对多个脑区目标的同时记录，并支持更大规模的电极阵列。通过进一步改造，可引入电动驱动元件，从而实现远程控制，并可能提高电极定位的精确性7。
需要强调的是，这些记录装置使研究人员能够灵活地使用单根微丝或微丝束（如四极电极）。直径较大的单根微丝更为坚固，更适合记录脑组织中的局部场电位（LFP）。虽然四极电极也可用于记录LFP，但其设计更优化于分离单个神经元的动作电位8, 11。在本实验室中，植入后可获得持续长达8周的稳定单细胞单位放电记录。然而，这些记录并非在整个时间段内来自同一推定神经元。根据我们的经验，同一个单细胞单位可在连续3天内的多个记录会话（每次30分钟）中被追踪，反映出会话间的稳定性10。另一方面，局部场电位和神经网络振荡可在整个植入后时期持续稳定记录，尤...
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披露
作者声明不存在任何竞争性经济利益。
致谢
感谢 Daniel Carpi 在本项目中的帮助和早期贡献。同时感谢 Lucrecia Novoa 在插图和图像方面的协助。本研究由美国国立卫生研究院/过敏与传染病研究所项目资助 5P01AI073693-03 支持。
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材料
| 姓名 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
|---|---|---|---|
| 0.0005" (12.5 μM）直径铂铱合金丝 | 加州细线 | CFW#100-167 | HML VG 绝缘 www.calfinewire.com |
| 0.002" (50 μM）直径 Stableohm 675 导线 | 加州细线 | CFW# 100-188 | HML绝缘镍铬合金 |
| 聚酰胺管 | Polymicro Technologies | 1068150020 | 99 微米内径，166 微米外径 www.polymicro.com |
| 黄铜导轨 | World Plastics 公司 | 3.3 x 6.6 毫米 | |
| Delrin 块 | World Plastics Inc | 3.13 × 2.5 毫米 | |
| 填塞头黄铜螺钉 | J.I. Morris 公司 | 00-90 × 1/2 | 驱动螺钉 www.jimorrisco.com |
| 六角黄铜螺母 | J.I. Morris 公司 | 00-90 | |
| 填隙头黄铜螺钉 | J.I. Morris 公司 | 000-120 × 3/32 | EIB支架与地脚螺钉 |
| 聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA） | 运河街塑料公司 | 5 mm 厚，透明 www.cpcnyc.com | |
| 氰基丙烯酸酯 | Krazy Glue | 2 g 离心管 | |
| 电子接口板 | Neuralynx | EIB-18 | www.neuralynx.com |
| 非氰化物金溶液 | SIFCO | SIFCO 5355 | www.sifcoasc.com |
| VersaDrive 4 | Neuralynx | 四通道电极模型 | |
| 四极管组装台 | Neuralynx | ||
| 电动四极螺旋仪 | Neuralynx | 四极丝旋转仪 2.0 | |
| VersaDrive 夹具 | Neuralynx | ||
| 电烙铁 | Radio Shack | 64-2802B | www.radioshack.com |
| nanoZ | Neuralynx | ||
| 小型电钻/螺丝刀 | 拉姆产品 | Rampower 35 | 带脚踏控制器， www.ramprodinc.com |
| 钻头 | Small Parts, Inc. | 3/32" 比特, www.smallpartsinc.com | |
| 解剖显微镜 | Olympus | SZ-60 | www.olympusamerica.com |
| 加热枪 | Alphawire | Fit gun 3 | 使用设置 "1" 仅 www.alphawire.com |
| 26号铜导线 | Arcor Electronics | F26 | 用于接地线， www.arcorelectronics.com |
| 焊锡助焊剂 | 伊格尔 | 2 盎司，#205 | |
| 0.02" 直径焊料 | Kester | 24-6337-0010 | www.kester.com |
| 台式虎钳 | Vacu-Vise | Model 300 | |
| 光纤光源 | 尼康 | MKII | 双光源臂， www.nikon.com |
| 5分钟环氧树脂 | Allied Electronics | 25 ml www.alliedelec.com | |
| 精细镊子 | Roboz外科器械公司 | RS-4907, RS-5010 | INOX 材料， www.roboz.com |
| 显微解剖剪 | Roboz外科器械公司 | RS-5880 | |
<强>表1. 用于构建四极 Recording 电极和微型驱动装置的材料与试剂。 |
参考文献
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