本文详细介绍了如何对人类癫痫皮层组织进行多电极阵列记录。具体演示了癫痫组织切除、脑片制备以及间歇期和发作期事件的多电极阵列记录过程。
本文详细介绍了如何对人类癫痫皮层组织进行多电极阵列记录。具体演示了癫痫组织切除、脑片制备以及间歇期和发作期事件的多电极阵列记录过程。
癫痫影响着约1%的人口,是一组以周期性发作、干扰正常脑功能为特征的神经系统疾病。尽管目前已有针对神经元功能的抗癫痫药物进行治疗,但仍有三分之一的癫痫患者对药物治疗无反应。在此情况下,手术切除产生癫痫发作的脑区仍是唯一的替代治疗方法。近10年来,对人类癫痫组织的研究有助于揭示新的致痫机制。事实上,这些组织能够产生自发的发作间期癫痫样放电,以及可通过药物诱导的发作期样事件,并可利用经典电生理技术进行记录。值得注意的是,多电极阵列(MEAs)是一种微加工装置,其嵌入了空间排列的多个微电极,能够同时刺激并记录来自组织不同区域的场电位以及多个神经元的动作电位。因此,MEA记录为研究自发发作间期和诱发性类发作事件的空间-时间模式,以及癫痫发作起始与传播的机制提供了极佳的方法。本文将介绍如何制备手术切除所得的人类大脑皮层脑片,并在离体条件下使用MEA记录发作间期和类发作期事件 ex vivo。
癫痫是一种慢性疾病,其特征是癫痫发作,即在脑电图(EEG)记录中表现为持续数秒至数十秒的间歇性节律性放电,并伴有临床症状,这些发作会打断以持续数十毫秒的同步神经元放电为特征的发作间期状态,这些短暂的电活动被称为发作间期事件1。癫痫影响全球约1%的人口,尽管大多数患者的发作能够得到控制,但仍有约三分之一的癫痫患者对抗癫痫药物反应不佳2。在这种被称为药物难治性癫痫的状况中,其潜在机制尚未明确阐明,针对被确定为发作起始区的脑部特定区域进行手术切除,仍是唯一可为患者带来积极疗效的替代治疗方法。因此,手术切除的脑组织标本为在离体(ex vivo)条件下研究人类中枢神经系统中发作间期放电的发生机制、癫痫发作的产生与传播机制以及药物耐药性提供了宝贵的机会。
多电极阵列(MEA)由空间分布的微电极组成,能够同时对组织多个位点进行电生理活动的刺激与记录,从而为研究自发性和诱发性活动的时空模式提供了优良的技术手段。该技术最初用于监测神经元细胞培养活动中发育变化3,随后被改进用于急性及器官型脑片和脊髓片的记录4–6,目前已被视为一种重要的电生理学研究工具。
本方案详细介绍了如何从手术切除的人脑皮层组织制备人脑皮层切片,并利用多电极阵列(MEA)可靠地记录这些切片中离体的ex vivo 间歇期放电及类癫痫发作事件。因此,该技术为研究癫痫样活动的起始、传播机制以及抗癫痫药物在细胞和神经网络水平上的作用提供了有效手段。文中详尽描述了获取、制备、维持和记录人脑切片所涉及的全部操作步骤。
注意:此处描述的实验方案遵循法国“国家伦理咨询委员会”(Comité Consultatif National d’Ethique)的指导方针,并已由法国国家健康与医学研究院(INSERM)登记为样本采集活动。
1. 人癫痫组织的切除
2. 用于切片制备、孵育和记录的人工脑脊液(ACSF)
3. 切片孵育与记录设备
4. 分离与切片用接口室及工具的准备
5. 人脑皮层切片制备
6. 记录用多电极阵列装置的准备
7. 将切片从界面室转移至MEA芯片以进行记录
在用正常的记录用人工脑脊液(ACSF)灌流组织时,开始记录人脑皮层脑片的活动7,8。在此条件下,若组织在手术过程中以及随后从医院转运和脑片制备过程中保存良好,则可观察到自发性活动,表现为类似痫样间歇期的小型事件,由MEA电极的小簇阵列检测到。类似间歇期的放电表现为场电位,通常为双相,包括一个初始的尖锐负向偏转,幅度可达数十微伏,随后是一个持续数十毫秒的较长反向波。快速的多单位活动通常嵌入在场电位中,主要集中在初始部分。图3Aii展示了一个典型的类似间歇期活动的示例,显示了MEA电极记录的信号轨迹。
记录癫痫发作 体外 人脑皮层切片需要灌流“致癫痫性”人工脑脊液(ACSF),其中 Mg2+ 不存在且 K+ 升高至6 mM,以增强组织兴奋性1 (K的增加)+ 单独使用3至6 mM的浓度不足以诱发癫痫发作;数据未显示)。一旦用0 Mg进行灌流2+ 6 mM K+ ACSF 开始灌流后,皮层切片的活动逐渐增强,并在 15 至 20 分钟内出现首次癫痫样放电(15.4 ± 1.7 分钟, n = 10,来自5位患者; 图3 Ai)。我们诱发了类似发作的活动,如图所示 图3在75%的受试患者和66.7%的所有记录切片中。
通过MEA芯片的相邻电极记录癫痫样活动,比较场电位事件的起始动力学特征,可研究其发生部位及传播路径。图3B展示了从人脑皮层切片中使用MEA系统记录到的一次典型癫痫发作(单个MEA电极记录到的癫痫发作代表性轨迹在图3 Aiii中以更高的时间分辨率显示)。请注意,该癫痫发作几乎在MEA芯片的所有电极上均有记录,表明其能够在广泛的皮层区域中传播。此外,通过观察每个电极记录的单个轨迹,可以发现癫痫发作在组织中的逐步传播过程:发作首先起始于覆盖电极阵列右半侧的皮层区域,随后逐渐扩散至覆盖左半侧的区域(即,比较电极L6和B6的轨迹;图3B)。

图1:皮质发育不良及其手术切除。 术前MRI上可见左侧额叶脑沟内嵌入的Taylor型局灶性皮质发育不良(白色箭头)(A),术后通过组织学检查进一步证实 (B)(MAP激酶标记;比例尺:200 μm),显示皮质层状结构紊乱、异常神经元以及白质下层中神经元迁移不完全的轨迹。术中根据MRI数据使用神经导航系统定位发育不良病灶 (C)。术中显示包含发育不良的脑回 (D)。

图 2:人脑皮层切片制备的设备与操作流程。 使用界面式孵育槽在体外维持人脑皮层切片 ex vivo(A);切片置于孵育槽上部平坦区域的镜纸片上(B),此处放置一个温度传感器(C,左),通过双头电缆与温度控制器相连(C,右,上),以在整个孵育过程中保持 37 °C 的恒温(C,右,下)。获取组织后,将切除的脑组织块放入盛有冰冻蔗糖型人工脑脊液(ACSF)的培养皿中(D),并清除血凝块、血管和脑膜,以利于后续切片。若组织块大于多电极阵列(MEA)孵育槽的尺寸,需使用刀片切取适当大小的组织块(E),并将其粘附于振动切片机的样品载板上(F)。切取厚度为 400 µm 的切片,借助刮匙(G)将其转移至镜纸片上(H),然后放入界面式孵育槽中孵育(I)。记录前,将切片浸入盛有 ACSF 的培养皿中,去除镜纸,并用刮匙将切片转移至盛有 ACSF 的 MEA 芯片上(J)。吸除液体,使切片贴附于 MEA 表面(K),并使用铂金固定锚将其固定。将 MEA 芯片放入放大器中(L),开始灌流并记录信号。

图 3:人脑皮层切片中癫痫发作的多电极阵列(MEA)记录。 (A) 图 i 显示了由 MEA 电极记录的人脑皮层切片活动的一个代表性轨迹。在正常人工脑脊液(ACSF)条件下,可观察到类似痫样间歇期的自发性活动(小灰色矩形框,放大显示于图 ii);当开始灌注无镁离子(0 Mg2+)且含 6 mM 钾离子(6 mM K+)的 ACSF 后,约 15 分钟延迟后出现首次癫痫样发作,随后以每 2–3 分钟一次的频率持续发生。图 iii 展示了图 i 中大灰色矩形框内的癫痫发作事件,并采用放大时间尺度显示。蓝色轨迹表示如蓝线及箭头所指示区域的进一步放大活动。图 iv 显示了图 iii 数据经 250 Hz 高通滤波后的结果,进一步放大后(蓝色轨迹)可见多单元放电活动。(B) 在 0 Mg2+ 6 mM K+ ACSF 条件下,来自全部 MEA 电极的癫痫发作代表性记录。每个方块代表 12 × 12 MEA 阵列中的一个电极,显示 80 秒的时间窗口;虚线表示皮层表面相对于 MEA 阵列的位置。
耐药性癫痫是一种罕见病症,可通过人体组织进行研究 体外这使得研究癫痫患者的大脑皮层成为可能,该组织表现出某些特定缺陷,而这些缺陷在动物模型中仅能部分重现。本文所述方法可用于制备和记录人类术后脑组织 离体 保持细胞活性和网络结构完整,使其能够自发产生癫痫样活动。保留与记录到的活动相似的特性 体内 研究病理性活动发生机制至关重要。此外,此类方法可用于探索人体组织,避免依赖并不完善的疾病动物模型。然而,人体组织研究需要神经外科医生与实验实验室之间的密切配合。组织运输过程中需采取特殊措施,避免造成机械性损伤。此外,可用的标本数量和组织量均十分有限。最后,获取合适的对照组织是主要难题。在此制备条件下,术后组织在正常人工脑脊液(ACSF)中可自发产生类似痫样间歇期的放电活动。7,8在改良的致惊厥人工脑脊液(proconvulsive ACSF)中也可诱发类似发作的事件,从而可研究癫痫发作的启动机制以及从发作间期向发作期的转变过程。
在界面条件下,人体组织可保持活性长达10小时。当观察到多单位放电或场电位自发出现,并且通过提高细胞外钾浓度和/或降低镁浓度以增强兴奋性后可诱发出相应活动时,即认为脑片具有活性。尽管活动存在变异性,这可能反映了不同病理状态和皮层区域之间的差异,但我们仅在显示自发性发作间期放电及可诱发发作期放电的健康脑片中探讨组织的致痫特性。为了维持组织的活力和电活动,采用界面式孵育槽在36–37 °C下保存脑片,使其在使用MEA系统记录前完成恢复。事实上,多个研究团队已明确证实,与传统的烧杯式储存相比,基于界面的储存系统在维持神经网络活动(如自发的尖波-涟波或胆碱能诱导的振荡)方面具有显著优势,且温度对这些活动的保持至关重要9,10。此前已有研究利用界面储存方法记录来自人海马和下托脑片的癫痫样电活动1,11。在当前的MEA技术中,脑片经界面条件恢复后,将在浸没式条件下、以高流速(5–6 ml/min)和37 °C环境中,使用MEA系统记录其网络电活动。MEA芯片较小的直径(1.8 cm)形成一个容积较小的记录腔室(<1.5 ml),结合较高的灌流速度,显著改善了脑片的供氧状况,而供氧已被证明是维持自发性和药理诱导性网络电活动的关键因素9,10。此外,循环ACSF用量的减少也有利于开展药理学测试。
然而,切片过程会对组织造成损伤12。神经元结构和氯离子稳态在组织表面(50 µm)均出现紊乱。MEA芯片记录到的电活动主要来自组织表层,无法深入采样,因此这些信号可能源于受损区域。然而,我们的数据显示,局部检测到的细胞外场电位可在大多数MEA电极上记录到,且已有研究证明这些信号是在距离记录位点100至200 µm范围内整合产生的13,这表明在本实验体系中记录到的癫痫样发作活动不太可能来源于受损区域。此外,在使用钨电极进行的可深入穿透组织的研究中,人类脑组织记录到的癫痫样活动与癫痫患者中观察到的活动相似1,7,8。
另一个局限性是 离体 组织记录的一个局限是不同脑区间连接的中断,从而限制了动态神经调节。这或许可以解释为何在此类组织中无法自发记录到类似痫性发作的事件,而需要通过离子操控或药理学刺激增强兴奋性来触发。因此,在本方案中,通过联合改变细胞外K+ 从 3 到 6 mM 以及外部 Mg 的减少2+ 从 1.3 mM 到 Mg2+-无 ACSF,以增强组织兴奋性并去除 Mg2+依赖性NMDA受体阻断。事实上,先前已有研究证实,使用Mg²⁺诱导人新皮层和海马脑片产生癫痫样活动2+-无钙人工脑脊液(ACSF)中记录到的电图性癫痫发作相似 体内14此外,已有研究表明,在长时间暴露于Mg后,从颞叶脑片中记录到的癫痫样放电会对临床常用的抗惊厥药物产生耐受性。2+无自由基 ACSF15,16从而为研究耐药性癫痫样发作事件提供了一个模型 体外.
多电极阵列(MEAs)可用于记录场电位以及由神经元动作电位组成的多单元放电活动 离体因此,与探索由神经元群体同步活动产生的场电位的脑电图(EEGs)相比,微电极阵列(MEAs)是一种更强大的电生理学工具。 体内,但无法获取单个神经元的行为信息17尽管更新型的微电极能够记录 体内 由神经元动作电位组成的多单元放电活动,具有侵入性,因此其应用主要局限于颅内记录期间的研究目的。特别是,微电极阵列(MEA)记录技术是研究癫痫事件时空模式、控制发作起始与传播的机制以及传统和新型抗癫痫药物作用的首选方法之一。值得注意的是,为了揭示癫痫样放电的细胞类型及其信号传导基础,应将尖峰分类技术与药理学检测相结合应用于MEA记录。尽管MEA能够获取单个动作电位,但其无法提供有关突触特性及生物物理特性的信息。未来,应将其他技术与MEA记录相结合,以更全面地采样细胞行为、神经网络活动及突触信号传递。例如,可将用于揭示神经元或胶质细胞行为以及离子动态变化的荧光成像技术与MEA记录相结合。此外 事后检验 组织学分析还可揭示特定细胞类型、蛋白质或受体的具体改变,从而将癫痫活动的定位与神经结构的特定重组相关联。MEA系统还可嵌入膜片钳装置中,以实现单个细胞或电导活动与群体活动之间的关联分析。未来,若能像培养器官型脑片一样实现人脑组织切片的长期培养,则可应用光遗传学工具,对特定细胞类型进行转染或感染操作。
本视频的制作及开放获取出版由Multichannel Systems提供资助。
本研究得到了以下资助:N.R. 获得法国国家研究局(ANR,神经科学空白计划)、脑科学研究联合会(FRC)、巴黎市政府(新兴计划)、法国国家健康与医学研究院(INSERM)和拉匹提耶-萨尔佩特里埃医院(转化研究合同)的资助;E.D. 获得法兰西岛神经科学研究中心(NeRF)的资助;G.H. 获得巴黎皮埃尔与玛丽·居里大学(UPMC,融合计划)和巴黎脑与脊髓研究所的资助。
| 姓名 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
|---|---|---|---|
| 脑切片孵育室-2:界面式 | AutoMate Scientific, Inc. | S-BSC2 | 需另配独立的温度控制器 |
| 双通道温度控制器 | Multichannel Systems, Germany | TC02 | 可同时连接并使用两个界面式孵育室。 |
| 用于将TC01与带外部参考PT100的S-BSC2连接的专用电缆 | Multichannel Systems, Germany | CA3 | 参考PT100置于切片附近 |
| 带PT100的6针插头连接器 | Multichannel Systems, Germany | TS-PT100 | CA3电缆的外部参考装置 |
| 用于从120通道微电极阵列记录数据的MEA工作站 | Multichannel Systems, Germany | MEA2100-120 | 包含MEA2100-120前置放大器和MEA2100接口板。www.multichannelsystems.com |
| 适用于MEA2100-120的微电极阵列 | Multichannel Systems, Germany | 120MEA200/30 | 电极间距:200 µm;电极直径:30 µm;玻璃环高度:6 mm。可提供不同配置(间距、直径、环)。 |
| 视频显微镜台 | Multichannel Systems, Germany | MEA-VMT-1 | 台下配备视频显微镜,用于对放置在台面上的放大器中的MEA电极区域成像,并将图像传输至计算机。 |
| 灌流套管 | Multichannel Systems, Germany | PH01 | 可加热灌流套管,内置温度传感器;温度可通过TC02控制器编程调节 |
| MC_Rack | Multichannel Systems, Germany | 用于数据采集与记录的软件 | |
| 磁性灌流固定架 | Multichannel Systems, Germany | MPH | 用于固定PH01组件的磁性灌流固定架,可将灌流系统连接至放大器接地端 |
| Neuroexplorer | Nex Technologies | 数据分析软件;info@neuroexplorer.com | |
| 蠕动泵(驱动单元) | Gilson | F155001 | 0.01 至 48 rpm |
| 蠕动泵(泵头) | Gilson | F117800 | R2 双通道 |
| 超声吸引器 | Integra Life Sciences, USA | Cusa Excel + | 可用于皮层的钝性软脑膜下分离 |
| 神经导航系统 | Isis Solutions, France | Surgiscope | 可在术前MRI上实时识别脑结构 |
| 振动切片机 HM 650 V | Microm | 将组织块切片为厚度400 μm的切片 |