多电极膜片钳记录是一项复杂的技术。本文展示了如何通过自动化许多实验步骤,加快实验进程,从而在性能和记录数量上实现质的提升。
多电极膜片钳记录是一项复杂的技术。本文展示了如何通过自动化许多实验步骤,加快实验进程,从而在性能和记录数量上实现质的提升。
膜片钳技术是目前记录单个神经元或其亚细胞区室电活动最成熟的方法。然而,即使是对单个细胞进行记录,获得稳定的记录仍然是一项相当复杂且耗时的过程。通过自动化多个步骤并结合高效的信息显示,可极大地帮助实验人员在更短时间内以更高的可靠性完成更多记录。为了实现大规模记录,我们认为最有效的策略并非完全自动化整个过程,而是简化实验步骤,降低人为错误的发生概率,同时有效整合实验者的经验与视觉反馈。基于上述目标,我们开发了一套计算机辅助系统,将多电极膜片钳实验所需的所有控制功能集中于一个商业化的无线游戏手柄这一单一操作界面上,同时在计算机屏幕上显示与实验相关的信息和操作提示。本文将介绍该系统的各个组成部分,这些组件使我们能够显著缩短达到记录状态所需的时间,并大幅提高同时成功记录大量神经元的可能性。
以微米级精度记录和刺激多个位点的能力,对于实验上更深入理解神经元系统极为有用。为此已开发出多种技术,但唯有膜片钳技术能够实现亚毫伏级分辨率,这对于研究阈下活动和单个突触后电位至关重要。本文介绍了旨在同时记录和刺激大量单个细胞、并具备足够精度以研究神经元连接性的十二电极计算机辅助膜片钳系统的开发。尽管该系统还可用于许多其他应用,但尤其适用于突触连接性的研究,因为一组神经元内部可能存在的连接数量与神经元数量的平方成正比。因此,三电极系统最多可检测六种连接,通常仅能记录到一种连接,而十二电极系统则可检测多达132种连接,并经常能观察到十余种连接(图1)。同时观察数十种连接使得分析小型神经网络的组织结构成为可能,并可推断出无法通过其他方法探测的网络结构的统计特性1。此外,对多个细胞进行精确刺激还可量化突触后细胞的募集情况2。
1. 仪器准备


2. 膜片钳技术操作步骤
根据上述方法,我们成功实现了对多达十二个神经元的全细胞记录,同时进行膜片钳的神经元数量几乎达到此前报道的最高数量的两倍。图中展示了在大鼠体感皮层第五层记录到的锥体神经元之间直接突触连接的网络示例。 图6.
对于特定细胞类型,以胞体间距离为函数测定连接概率分布是多电极膜片钳系统可高效完成的一项典型测量1。近年来,光刺激技术开始被用于获取此类数据,并展现出更高的效率3,4。然而重要的是,多电极膜片钳系统所获取的数据使研究者能够更全面地绘制所研究神经网络的连接图谱,并实现通过细胞内扩散染料进行的高分辨率染色。在多电极膜片钳实验中,每一个细胞均可被记录和刺激,而其他技术(如光刺激或钙成像)通常难以做到这一点。该特性使研究者能够追踪连接性中的偏差,例如双向连接的高发性,而此类偏差无法通过其他方法测量。通过对所有被研究神经元进行刺激和记录,我们发现神经元不仅倾向于形成双向连接,而且还会聚集成簇。我们的记录尺度还使我们观察到,在具有共同邻近神经元的神经元对之间,连接概率更高,即在采样网络中同时与其他单个神经元相连接的神经元对(i.e.)(图7a)。该现象在每个50 mm的胞体间距离区间(从50 mm至250 mm)均具有显著性。我们还观察到,具有多个共同邻近神经元的神经元对出现的频率显著高于随机预期(图7b)。此外,我们检测到神经元对之间的连接概率受其共同邻近神经元数量的影响:共同邻近神经元越多,该神经元对相互连接的可能性就越高(图7c)。
这种倾向导致形成比平均水平连接更密集的神经元群。有趣的是,高度互联的神经元群不仅具有更多的连接,而且平均而言,这些连接也更强。1这些发现使我们得出结论:新皮层回路不仅按层次和柱状结构组织,还形成了细胞集群。 即 由唐纳德·赫布数十年前提出的具有密集且强效突触相互连接的神经元群。
通过同时进行膜片钳记录的多个神经元,还可获得其他有意义的结果,包括量化不同数量的兴奋性细胞在超阈值活动下对抑制性反应的募集程度2新皮层中一种普遍存在的抑制形式5 由Martinotti细胞介导(图8a 和 b,改编自 Berger 等)接收来自锥体细胞的输入,并对其进行整合,继而以一定的潜伏期影响其他锥体细胞。我们发现,在局部微环路中,仅需少数四个锥体细胞产生短暂的簇状放电活动后,每一个锥体细胞都会接收到这种形式的抑制作用(图8c,c 和 f)。我们还发现,当同时刺激八个或更多的锥体细胞时,这些抑制性突触后电位 tends to saturate(趋于饱和)图8E).
系统组件的概述如图9所示。图9a和b展示了软件界面和硬件,图9c展示了控制器界面,用于在显微镜物镜下引导电极接近细胞进行记录(图9d)。

图1. 实验中观测到的连接数量随同时记录的神经元数量变化的计算结果,显示为二次增长关系。 数值计算结果(上图)。示意图中逐次添加同一网络中的更多神经元(下图)。

图 2. 各电极操纵器(黄色)与显微镜(红色)的坐标系。

图 3. 移液管接近指定细胞的屏幕截图,叠加了接近路径矢量、细胞位置和比例尺。

图 4. 显示用于移液管压力控制的气动系统的示意图。

图5. 用于集中管理膜片钳实验过程中各项控制操作的人机交互设备上的指令。

图6. 单次实验中绘制的三个直接突触连接网络的示例

图7. 共同邻居效应。 (a) 在采样网络中同时连接到至少一个其他神经元的神经元对(蓝色)表现出显著更高的相互连接概率。(b) 在采样网络中,具有多个共同邻居的神经元对出现频率高于随机预期。(c) 神经元对之间的连接概率随该对神经元所共享的共同邻居数量的增加而上升。

图8. Martinotti细胞募集的定量分析。 (a) 一个锥体细胞(红色)与Martinotti细胞(蓝色)形成突触连接,而该Martinotti细胞又与第二个锥体细胞(黑色)形成突触连接的示意图。(b) 对锥体细胞(红色)施加阈上刺激后,通过易化性兴奋性突触后电位的整合,导致Martinotti细胞(蓝色)被募集。被募集的Martinotti细胞随后抑制第二个锥体细胞(黑色)。(c) 示意图展示逐步增加被膜片钳记录的锥体细胞数量及其对另一个锥体细胞的影响。(d) 作为被刺激邻近锥体细胞数量函数的、从一个锥体细胞记录到的平均抑制性突触后电位。改编自Berger et al.2 (e) 在局部环路中,当刺激9个或更多锥体细胞时,双突触抑制的振幅趋于饱和,表明此时Martinotti细胞的募集可能已达到最大。(f) 随着被刺激锥体细胞数量的增加,接收到双突触抑制的细胞比例迅速上升至1。

图9. 系统集成示意图。 (a) 图形用户界面,包含主窗口、实时视频显示、日志窗口及图形化表示。 (b) 显微镜与操纵器。 (c) 用于实验操作的人机交互设备,配备实验流程控制组件。 (d) 玻璃微电极已就位,用于记录多个神经元活动。

图 10. 描述在使用十二个电极的情况下,成功记录特定数量细胞的实验所占比例的二项概率分布函数。图中蓝色表示经验丰富的操作者在理想条件下使用视觉反馈所获得的实验产出,红色表示经验较少的操作者在非理想条件下所获得的实验产出。
人们通常会立即提出一个问题:我们所描述的实验方法成功率如何?高成功率的关键在于充分的准备工作。移液管的尖端开口必须适合所记录的细胞。为避免移液管堵塞,对细胞内溶液进行过滤也非常重要。此外,移液管必须极为洁净且为 freshly pulled(新鲜拉制)。二项分布是可用于理解上述因素如何影响最终产量的最简单模型。对于具备经验并拥有合适设备的研究人员而言,在视觉反馈条件下记录单个神经元的成功率有望达到80%或更高。初学者的成功率通常要低得多,特别是当忽略了关键的准备步骤时。这些成功率在每次实验中所能记录到的细胞数量上的具体体现,可参见图10。未来若要进一步增加同时进行膜片钳记录的神经元数量,可能需要对操纵器进行微型化改进,并提高实验操作的可靠性;这反过来要求对实验细节给予充分关注,但这些目标完全是可行的。
本文所展示系统的多功能性仍在不断探索中,已频繁发现新的应用,特别是在研究细胞外信号与单个神经元活动之间关系方面7。当记录细胞之间的距离增大时,解剖学因素变得更为重要。然而,只要切片操作后神经连接保持完整,该系统无疑可用于研究长距离及跨层的神经连接性。
显微操作仪控制
使用微操作器实现自动定位可显著加快多电极膜片钳实验的进程,并通过减少人为误差提高其实验可靠性。不同制造商提供了多种将计算机与操作器连接的解决方案,常见的方式包括串行端口或USB端口。为了确保快速通信,我们为每个操作器控制器单独分配一个串行端口。自动定位最有用的功能可能是几乎消除了电极在组织内部的大部分横向和垂直移动,从而限制了组织的形变。由于电极在组织内的移动几乎完全沿轴向进行,机械干扰被降至最低。仅在偶尔需要避开血管或细胞时,才进行横向移动。
可视化电极位置
能够在实验过程中追踪每个电极的位置非常有用。在传统设置中,一旦某个电极脱离视野,问题可能迅速出现。当使用大量电极时,不可能始终将所有电极保持在视野范围内。依赖图形化表示是最直观的替代方案,也有助于实时掌握实验进展,可立即显示哪些电极已定位到最终位置,哪些尚未完成定位。
视频采集与叠加
能够在应用程序窗口中显示来自显微镜视野的实时视频非常有用。显示窗口被编程为可响应鼠标点击,从而能够存储感兴趣位置(细胞胞体)以及快速更新显微镜与电极之间的相对位置,以在出现累积误差时及时校正。我们还在实时视频上叠加了实用信息,例如每个电极朝向选定细胞的进针轨迹,或对这些细胞进行标记(图3)。此外,还实现了特征注册以及辅助图像(如解剖图谱中的图像)的叠加,以在感兴趣区域不明确时提供辅助定位。
放大器
计算机控制的显微镜放大器还可能允许从其他应用程序进行控制。这极大地提高了同时记录多个细胞的速度和可靠性,并消除了人为错误的主要来源。继计算机辅助定位和移液管压力控制之后,这一步骤在时间上的提升最为显著,但其在可靠性的提升更为重要。
示波器
确保测试信号能够在适当的比例和时间分辨率下实时显示,可显著提高实验人员执行实验步骤的效率。通过将示波器设置与放大器模式(如电流钳或电压钳)相耦合,我们能够以极少的操作负担完成对时间敏感的步骤并实现可视化,例如在形成细胞贴附构型后立即把细胞钳制在合适的膜电位。通过串行端口按照示波器自身的通信协议发送适当的缩放和耦合指令,调节测试信号的幅度和偏移,使其适配示波器屏幕显示范围,从而确保了正确的信号可视化。
移液管压力控制
随着实验中使用的电极数量增加,确保持续施加正压以保持玻璃电极尖端清洁变得愈发困难,甚至成为一个重要障碍。通过简单的膜片泵即可产生足够的正压和负压(数百毫巴)。为了稳定压力,这些泵连接了约100 ml的储液罐,其开关由气动阀控制。气动阀则通过数据采集卡由计算机控制。气动回路示意图见图4。压力控制器不仅在确保移液管尖端清洁方面发挥重要作用,还能在移液管接触细胞时观察到细胞膜出现凹陷后,快速形成吉欧姆封接,从而进一步加快实验进程。
人体接口设备
大多数实验装置的实验设备控制部件分散在较大区域内。我们将最常用的控制功能集中到一个无线游戏手柄上(图5),不仅显著减少了记录每个细胞所需的时间和操作强度,更重要的是消除了人为误差的来源,而这些误差常常导致大型实验提前终止。
编程语言
由于唯一支持集成所有所需设备的编程语言是 C/C++,因此我们在该应用程序的编程语言选择上几乎没有其他选择。C/C++ 的一个显著优势是能够实现多处理线程,并充分利用多核处理器带来的性能提升。
电生理数据采集
我们所描述的系统将电生理记录软件和数据采集系统的选择权留给实验人员。数据采集软件与我们的应用程序之间的通信可以通过串行端口或通过网络上的套接字通信进行。
未来展望
自萨克曼(Sakmann)和内尔(Neher)的开创性实验以来的30多年间,膜片钳技术仍然是唯一能够提供特定组合的信号分辨率和采样频率数据的技术,而这些数据是多种实验所必需的,尤其是涉及单个突触后电流或电位检测的实验。通过开发一种可实现同时记录多个神经元的计算机辅助系统,我们的目标是拓展膜片钳技术的实验可能性。将这些新可能性与实验神经科学领域的最新进展8-13相结合,有望以前所未有的速度和精细程度推动对神经回路的深入理解。
作者声明不存在任何竞争性经济利益。
我们感谢Gilad Silberberg、Michele Pignatelli、Thomas K. Berger、Luca Gambazzi和Sonia Garcia在提高膜片钳技术自动化方面的宝贵建议。感谢Rajnish Ranjan在软件实现方面的宝贵建议和协助。本工作部分由欧盟Synapse项目 以及人类前沿科学计划资助。
| 姓名 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
|---|---|---|---|
| 显微镜 | Olympus | BX51WI | 40X 浸液物镜 |
| 操纵器 | Luigs & Neumann | SM-5 | 使用串行协议 |
| 放大器 | Axon Instruments | MultiClamp 700B | 使用 SDK |
| 相机 | Till Photonics | VS 55 | BNC 模拟输出 |
| 图像采集卡 | Data Translation | DT3120 | 使用 SDK |
| 示波器 | Tektronix | TDS 2014 | 串行通信 |
| 数据采集 | InstruTECH | ITC 1600 | |
| 数据采集 | National Instruments | PCI-6221 | 使用库文件 (.dll) |
| 压力阀 | SMC | SMC070C-6BG-32 | |
| 压力传感器 | Honeywell | 24PCDFA6G | |
| 膜片泵 | Schego | Optimal |