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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本文内容
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....
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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....
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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
- Recce, M. L., O'Keefe, J. The tetrode: a new technique for multi-unit extracellular recording. Soc. Neurosci. Abstr. 15, 1250(1989).
- O'Keefe, J., Recce, M. Phase relationship between hippocampal place units and the EEG theta rhythm. Hippocampus.
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重印与许可
