植入有序排列的微丝阵列用于单细胞电生理记录面临诸多技术挑战。 本文描述了实施该技术的方法及所需设备。 此外，还讨论了利用有序微丝阵列以高空间选择性记录不同神经亚区活动的优势。
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本文内容
摘要
摘要
在体电生理记录技术可在清醒、自由活动的动物中实现单细胞水平的神经信号研究，是一种强大的研究手段。该技术使研究者能够观察特定时间与脑区的放电模式，从而将记录到的动作电位与正在进行的行为相关联。此外，单细胞记录还可与其他多种技术结合，以全面阐释神经功能。本文中，我们描述了用于微丝电极植入的麻醉与术前准备过程。随后，详述了准确将微丝电极阵列植入目标脑区所必需的设备与手术步骤。最后，简要介绍了用于记录阵列中每个独立电极信号的设备。所述的固定式微丝电极阵列适用于长期植入，可在几乎任何行为学实验范式中实现神经数据的纵向记录。我们还讨论了如何追踪电极轨迹以三角定位微丝位置，以及如何将微丝电极植入与免疫组织化学技术相结合，以提高记录结果的解剖学特异性。
引言
电生理记录使科学家能够研究生物细胞的电学特性。在中枢神经系统中，电冲动作为信号传递机制，这些记录对于理解神经功能尤为重要1-2。在行为动物的单细胞记录过程中，插入大脑的微电极能够记录神经元随时间产生动作电位的变化。
尽管许多技术可用于记录大脑活动，但单细胞电生理学是其中最精确的方法之一，因其可实现单个神经元水平的分辨率。当需要高度空间特异性时，可使用微丝电极靶向脑内特定的亚核团或细胞群3。单细胞记录还具有高时间分辨率的优势，其记录精度可达微秒级别。此外， 体内 清醒记录能够保留完整的神经环路相互作用，涵盖传入和传出投射的自然环境，以及全身性的化学和激素影响与生理参数。神经信号来源于感觉输入、运动行为、认知加工、神经化学/药理学因素，或这些因素的某种组合。因此，为了分离感觉、运动、认知和化学因素的影响，需要精心设计实验，设置有效的条件控制，以便评估上述各类影响因素。总体而言，在动物行为过程中进行记录，可使研究者观察到功能环路中多种信息来源的整合过程，进而建立更为全面的环路功能模型。
单个神经元记录也存在若干缺点，任何实验人员都应了解这些局限性。首先，记录操作可能难以实施。事实上，用于此类记录的前置放大器和植入式微电极所具有的空间与时间特异性特征，也使其容易受到外部电信号（即 电学 "噪声"）的干扰。因此，解决电生理系统中问题的能力依赖于对电生理学原理和设备的深入技术理解。还需要注意的是，在某些情况下，细胞外记录中获得的电信号可能代表多个神经信号的总和。此外，目标脑区内的细胞异质性程度常常限制了单个神经元活动向该区域内群体神经活动外推的适用性（但参见 Cardin4）。例如，电极可能更倾向于记录高幅值输出神经元，而忽略其他类型的细胞。通过将单个神经元记录与其他技术相结合，可提高其结果的可解释性，这些技术包括但不限于电刺激（顺向或逆向传导刺激）、化学刺激（例如 离子电泳或设计受体激活）、光遗传学刺激4、暂时性神经失活、感觉运动功能检测5、断开连接实验或免疫组织化学3。
在接下来的实验方案中，我们将列举在大鼠体内植入有序排列的微丝电极阵列所需的材料和步骤（尽管该方案也可根据需要调整用于其他物种）。我们实验室所采用的固定式电极阵列设计和操作方法已被证实可稳定地进行长期记录，能够对同一神经元持续记录超过一个月的时间6-8。这使得该技术非常适用于研究神经元对实验刺激的时相性反应、神经反应的可塑性变化，以及学习与动机的神经机制。
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方案
在准备和实施以下操作时，必须采取最高程度的无菌条件（如《实验动物护理和使用指南》9 中所述）。本方案符合《实验动物护理和使用指南》的要求，并已获得罗格斯大学机构动物护理和使用委员会的批准。预计后续操作需要 3–6 小时完成。
植入微丝电极阵列：
- 使用50 mg/kg戊巴比妥钠（i.p.）对动物进行麻醉，并给予10 mg/kg甲基硝酸阿托品（IP；可替换为格隆溴铵）以维持呼吸功能，同时给予0.25 mg青霉素（300,000 U/ml，i.m.）预防感染。
注意：由于该植入手术持续时间为3-6小时，选用戊巴比妥钠是因为其成本较低，且可减少研究人员接触麻醉剂的时间（例如长时间使用气体麻醉剂可能导致的暴露），同时仍能提供持久的麻醉效果。使用其他麻醉剂替代亦可接受。 - 在继续操作前，使用尾部夹捏测试确认麻醉是否已生效。
- 必要时，交替注射盐酸氯胺酮（60 mg/kg，腹腔注射）和戊巴比妥钠（5–10 mg/kg，腹腔注射），以在整个手术过程中维持麻醉状态。
- 使用#22手术刀片剃除头皮毛发。
- 用聚维酮碘对剃净的头皮进行消毒。
- 在头皮四个注射部位皮下注射布比卡因（约1 mg/kg，皮下给药），以实现局部麻醉。等待5–10分钟，使局部麻醉药起效。
- 在麻醉期间，于眼部涂抹眼用润滑剂以保持湿润。
- 将动物固定在立体定位仪的耳杆和鼻夹中。
- 使用视觉标记例如 立体定位仪框架上的水平杆）大致调平动物头部。此步骤仅旨在 大约 调平颅骨。
- 使用安装在手术刀柄上的#11手术刀片沿头皮正中线做切口，切口需从耳后开始，延伸至鼻骨后部。
- 使用解剖铲清除颅骨上所有残留组织，直至暴露两侧颅骨脊和后侧颅骨脊。
- 使用多个止血钳（6个）向后牵拉切口周围的皮肤。
- 清除颅骨上的血液并使其干燥。若仍有出血，使用小型烧灼工具止住残余出血。保持颅骨清洁干燥，有助于后续步骤中使用的牙科丙烯酸树脂与颅骨永久结合。
- 标记前囟和人字缝图2D通过插值颅骨缝的交点来确定位置。准确标记这些位置需要使用解剖显微镜。
- 连接一个小型尖锐物品（例如 将一根针或牙科钻头固定在立体定位仪臂上，降低至确定前囟（bregma）和后囟（lambda）的背腹（DV）坐标。
- 调整鼻夹，直至前囟和人字缝的DV坐标相差在100 µm（0.1 mm）以内。
- 调平后，记录前囟（bregma）的前后（AP）、内外（ML）和背腹（DV）坐标，以及鼻夹的位置。仔细核对这些坐标的准确性，因为后续手术操作的精度依赖于这些坐标的精确性。
- 使用测得的坐标计算四个角点的内侧-外侧（ML）和前-后（AP）坐标 "颅骨窗" 相对于前囟（bregma）即 开颅术 图1颅骨窗是一个精确定位的矩形开口，微丝电极阵列将由此穿过。
- 使用尖头立体定位附件和绘图墨水在颅骨上标记计算出的颅窗坐标。为获得精确标记，用棉签将少量墨水涂抹于标记工具的尖端。
- 通过逐层移除骨质，钻出颅骨窗。
- 首先在已做标记的窗户角上钻孔。
- 接下来，连接各个角并勾勒出窗框。
- 最后，沿轮廓线清除至硬脑膜深度范围内的组织。骨窗必须更宽（即 在颅骨浅层下方斜向切割，以确保窗口自上而下保持适当的宽度。
- 使用显微镊子仔细清除颅窗内残留的骨屑、碎屑或硬脑膜。此步骤极为关键，因为这些物质可能在电极阵列下放过程中破坏其完整性。清除后，必须在后续手术过程中持续用抑菌生理盐水保持颅窗湿润。
- 在颅骨上标记5个颅骨螺钉和1根接地线的位置图1）。这些位置将根据目标脑区的不同而有所变化。若将一枚螺钉置于每一块颅骨上，则头帽将最为稳固。颅骨螺钉和接地线的放置位置应避免干扰微丝电极阵列的植入。
- 钻孔以安装颅骨螺钉，并将螺钉固定到位。螺钉应旋入至仅露出3-4个螺纹（或，若使用非推荐型号的螺钉，则旋入深度应足以穿透颅骨厚度，以增强阵列稳定性，但不可过深以免损伤皮层）。螺钉安装后需清理螺纹。
- 为接地线钻孔。将导线缓慢（耗时1-2分钟）降至目标DV坐标位置，并使用牙科丙烯酸树脂固定导线。
- 在颅骨螺钉的螺纹周围添加丙烯酸树脂。在丙烯酸树脂干燥前，清除从接地线或颅骨螺钉处溢出的多余水泥。静置15分钟，使牙科丙烯酸树脂干燥/硬化。
- 将阵列固定至立体定位仪机械臂上。调整阵列水平并校准方向，使其能够垂直穿过颅骨窗的限定范围。
- 将生理盐水置于颅窗内，使其液面与颅骨齐平。 lowering 微电极阵列，直至其在生理盐水上形成微小凹陷。以此位置作为阵列的颅骨水平坐标。利用该数值计算阵列最终的腹背向（DV）坐标。
- 缓慢降低阵列，直至达到最终的腹背（DV）坐标。每下降1 mm时暂停数分钟，以允许脑组织从凹陷中恢复，并使阵列底部的聚乙二醇（PEG）充分溶解（PEG用于在下降过程中暂时固定导线的形态，可在生理盐水中缓慢溶解）。
- 当阵列距离目标位置1 mm时，应更缓慢地下降，直至到达最终目标。每次下降0.1–0.2 mm后，让组织休息5分钟，旨在保护目标位点的组织及其近端的突触连接。如果设备条件允许，可使用电动操纵器辅助精确控制阵列的下降。
- 溶解剩余的聚乙二醇，并使用牙科丙烯酸树脂将微丝固定到位。添加多层水泥以确保导线稳固，然后静置15–20分钟使水泥硬化后再继续操作。这可确保导线在最终定位后不会发生移位。
- 使用牙科丙烯酸树脂构建动物头帽的其余部分。用丙烯酸树脂包裹颅骨螺钉、接地线以及微丝的连接器。待丙烯酸树脂帽充分固化后再继续后续操作。
- 使用可吸收缝线缝合头皮切口，并皮下注射2 ml抑菌生理盐水以补充手术导致的水分丢失。
- 将动物从耳杆上取下，并置于清洁区域。术后恢复期间需频繁观察动物，直至其体温调节和运动功能恢复正常。麻醉苏醒后，将动物转移至单笼饲养，直至术后恢复期结束。
- 术后每天对动物进行监测和护理。该操作的最佳恢复时间为七天或更长时间。
- 在恢复期间，根据主管兽医建议的时间表，为动物注射卡洛芬（5 mg/kg）和恩诺沙星（5–10 mg/kg）或其等效药物。
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结果
该实验室用于记录电生理信号的设备列表见表3。手术恢复后，通过将一个单位增益前置放大器插入植入式连接器来记录单个神经元信号。该前置放大器通过电缆连接至一个换向器，后者利用电滑环实现自由旋转，同时保持电生理记录不中断。换向器的使用使得受试动物在行为过程中可自由活动，这是该实验制备方法的主要优势之一。信号随后进入前置放大器（增益10倍），用于对每个电极上的信号进行差分放大，参考电极为不显示神经元放电信号的电极，以消除环境噪声。差分记录技术用于放大两个电压之间的瞬时差异。由于两根导线所记录的环境噪声大致相等，其相反的极性可有效实现从神经记录信号中减去环境噪声（图2）。最后，信号经过带通滤波（450 Hz 至 10 kHz；在 1 kHz 处滚降为 -1.5 dB/倍频程，在 11 kHz 处为 -6 dB/倍频程），再放大700倍，随后通过配备A/D采集卡的计算机进行数字化（采样频率为每通道50 kHz），并储存以供离线分析。
在软件中，波形通常采用阈值检测法进行采样。因此，超过设定电压阈值的信号会被数字化并存储。然而，该...
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讨论
细胞外记录是一种强大的实验技术，几乎可以应用于神经科学领域的任何实验准备中。植入后呈有序排列的电极丝，其针体穿过大脑进入目标区域的路径可以被追踪（图5A）。在实验结束后，于未绝缘的微丝尖端制造一个微小损伤，使不锈钢丝在该处析出少量铁沉积物，随后使用5%亚铁氰化钾与10%盐酸的溶液即可精确标记未绝缘微丝尖端的位置（即单个神经元信号的记录位置）（图5A和图5B；蓝色点）。因此，可通过一系列连续的脑切片重建整个电极阵列在脑内的空间位置。最后，上述技术可方便地与免疫组织化学方法结合，以提高记录位置的空间特异性，验证目标区域的定位准确性，甚至可用于研究单一目标核团内部不同亚区之间的差异3（图5B）。
为了实现所需的空间特异性，微丝电极阵列必须经过精心设计和植入。首先，阵列中行与列的间距必须根据目标脑区的具体情况专门设计。若阵列过长或过宽，可能导致定位精度下降，或产生大量电极位于两个相邻核团边界处的情况。同时，微丝间距过密则可能妨碍各个电...
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披露
作者无任何竞争性财务利益需要披露。
致谢
本研究由国家药物滥用研究所资助，资助项目编号为 DA 006886（MOW）和 DA 032270（DJB）。
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材料
| 姓名 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
|---|---|---|---|
| <强>表1. 手术材料清单 | |||
| 纱布 | Fisher（MooreBrand） | 19-898-144 | |
| 棉签 | Fisher（Puritan） | S304659 | |
| 戊巴比妥（Pentobarbital） | Sigma Aldrich | P3761 | |
| 硫酸阿托品 | Sigma Aldrich | A0382 | |
| 拜耳灵（恩诺沙星） | 巴特勒·谢因（拜耳） | 1040007 | |
| 盐酸氯胺酮 | 巴特勒·谢恩 | 货号# 023061 | |
| 聚维酮碘（Povidone-Iodine） | Fisher（佩鲁） | 19-066452 | |
| 立体定位 | Kopf | Model 900 | |
| 电凝器 | 斯托尔廷 | 59017 | |
| 体视显微镜 | 尼康 | SMZ445 | |
| 牙科钻机 | 水牛 | 37800 | |
| 抑菌生理盐水 | Bulter Schein | 8973 | |
| 珠宝商螺丝 | 斯托尔廷 | 51457 | |
| 微丝阵列 | 微电极 | 定制（灵活） | |
| 接地线 | Omnetics | 定制插件 | |
| 牙科丙烯酸树脂 | 费希尔（BAS） | 50-854-402 | |
| 可吸收缝合线 | Fisher（Ethicon） | NC0258473 | |
| Puralube（眼用软膏/润滑剂） | 费舍尔（Henry Schein） | 008897 | |
| <强>表2. 手术器械列表 | |||
| 2x 微型镊子 | George Tiemann 公司 | #160-57 | 多用途（例如清除颅窗中的碎屑） |
| 2x 镊子 | 乔治·蒂曼公司 | #160-93 | 多用途（例如打结缝合线） |
| 6 把止血钳 | George Tiemann 公司 | #105-1125 | 夹闭并切开切口 |
| 1把小型剪刀 | 乔治·蒂曼公司 | #105-411 | 打结后剪断缝线 |
| 1x 组织镊 | 乔治·蒂曼公司 | #105-222 | 缝合时固定组织 |
| 1x 持针器 | 乔治·蒂曼公司 | #105-1259 | 持针器 |
| 1个手术刀柄（配#11刀片） | George Tiemann 公司 | #105-80（配 #105-71 刀片） | 制作颅骨切口 |
| 1x #22 手术刀片 | 乔治·蒂曼公司 | #160-381 | 剃除头皮毛发 |
| 1x 外科刮匙 | 乔治·蒂曼公司 | #160-718 | 刮除颅骨以清除颅骨上的组织 |
| 机械/珠宝匠螺丝 | 各种 | N/A | 0/80 × 1/8” |
| <强>表3. 记录电生理信号所需设备列表 | |||
| 微丝阵列 &和连接器 | Micro Probe 公司（美国盖瑟斯堡） | N/A（根据芯片阵列特性确定货号） | 颅内植入目标记录区域。根据所需的导线间距和长度定制阵列， 等等. |
| 单位增益探头/前置放大器 | M.B. Turnkey Designs（新泽西州希尔斯伯勒） | Proj 1200 | 神经信号的初始放大；可实现微弱神经信号的传导。 |
| 换向器（及可选液体旋转接头） | Plastics One, Inc. (Roanoke, VA) | SL18C | 允许动物自由旋转，同时将电信号传递至前置放大器 |
| 预扩增仪 | M.B. Turnkey Designs（新泽西州希尔斯伯勒） | 项目 1198 | 相对于参考电极差异性放大神经信号。 |
| 滤波器与放大器 | M.B. Turnkey Designs（新泽西州希尔斯伯勒） | 项目 1199 | 带通滤波器进一步放大差异扩增的信号。 |
| 采集计算机 | EnGen（美国亚利桑那州凤凰城） | N/A（定制构建） | 运行用于行为和神经数据采集的软件和硬件。 |
| A/D 卡 | Data Translation（马萨诸塞州，马尔伯勒） | DT-3010 | 将神经信号数字化以供计算机采样。 |
| 数字输入/输出卡 | Measurement Computing（马萨诸塞州诺顿） | PCI CTR-05 | 获取行为输入与输出 |
参考文献
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