在此，我们制备一种具有双重功能的玻璃移液管：通过药物微注射抑制深部脑结构，并通过同步的电生理记录实时监测其效应。
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本文内容
摘要
摘要
本文介绍了一种利用市售且价格低廉的部件制备一次性“注射电极”（injectrode）的方法。我们开发了一种探针系统，可在向目标神经元群体递送药物的同时，记录其电生理信号。该方法为商业化的解决方案提供了一种简单且经济的替代选择。通过将玻璃移液管与皮下注射针头及银丝纤维修饰结合，构建出注射电极，并将其连接至商用微量注射泵以实现药物输送。该技术能够通过源自药物递送部位的多单位胞外信号，实时反馈药效动力学信息。作为概念验证，我们在大鼠中同步通过注射电极递送药物，并记录由光闪刺激诱发的上丘神经元活动。注射电极的记录功能可对注射位点进行功能性表征，从而实现对药物递送空间定位的精确控制。该方法的应用范围远不止本文所展示的内容，由于可装入注射电极的化学物质种类广泛，亦可用于解剖学实验中的示踪标记等研究。
引言
失活大脑皮层区域和皮层下核团对于研究不同脑结构之间的功能关系至关重要2-4。近年来的研究文献采用功能缺失的化学或低温技术来探究脑结构的作用2,5。在药理学微量注射方面，可以在控制流速的条件下将小体积的药物注入特定脑区，同时最大限度地减少对周围组织的损伤6,7。该技术可用于递送特异性激动剂、反向激动剂或拮抗剂，以研究不同药理学靶点对神经元活动的影响。此外，还可以通过测量远端脑区神经元反应的变化来研究这些效应，从而帮助研究人员揭示不同皮层与皮层下结构之间的相互关系。
本文展示了注射电极（injectrode）这一装置的组装方法，该装置能够在靶向位置同时记录电生理信号并递送少量药物。我们通过在大鼠上丘（superior colliculus）注射常见的神经元活动抑制剂——γ-氨基丁酸（GABA），来演示该系统的功能。上丘区域对视觉刺激敏感，因此我们可利用视觉诱发出的多单位神经活动 来确认注射电极的定位准确性。通过观察GABA注射结束后神经元活动恢复正常的情况，评估了该失活效应的可逆性。
能够监测注射部位的多单位电活动，有助于精确调整实现预期药效动力学反应所需的注射速率和注射体积。因此，该技术的一个优势在于有可能限制微灌注引起的组织损伤，因为仅需注射最小有效体积。本方案提供了一种经济高效的方法，用于制备在需要进行药物递送与局部神经元活动记录的实验中所必需的一次性硬件设备。
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方案
注意：所有操作均按照加拿大动物保护委员会和蒙特利尔大学伦理审查委员会的指导原则进行。
1. 记录-注射电极的组装
- 使用拉针仪将一根长约 7 cm 的玻璃毛细管（外径 1 mm）拉制成型。
- 打断毛细管尖端，并在光学显微镜下检查开口，确认其内径在 30 µm 至 40 µm 之间。
- 将一根长 7 cm 的银丝插入玻璃毛细管中，使约 1 cm 长的部分从玻璃移液管的非拉细端露出。
- 将多余的银丝部分垂直弯折于玻璃毛细管轴线方向。
- 在 30 G 规格的皮下注射针针杆上涂抹一滴柔性塑料粘合剂。
- 按照图 1所示示意图，将 30 G 皮下注射针插入玻璃移液管中。
- 再涂一层胶水，以确保玻璃移液管与皮下注射针连接处形成良好的密封。
- 将移液管尖端朝上放置，静置干燥约 12 小时，以确保胶水充分固化。最终成品如图 2所示。
注意：此操作在急性实验中进行，无需对移液管尖端进行灭菌。
2. 动物准备
- 将大鼠放入麻醉盒中。
- 使用 4% 异氟烷麻醉 5 至 10 分钟以诱导麻醉。
- 将动物置于带有加热垫和直肠探头的立体定位仪上，以维持体温在 37 °C。通过鼻罩以 2% 异氟烷维持麻醉状态。使用耳杆和门齿夹固定大鼠头部。
- 涂抹眼用软膏或眼药水，其中包含 1% 阿托品滴眼液以促进瞳孔扩张。 为防止角膜干燥，每约 30 分钟应用一次润滑性滴眼液。
- 剃除头部毛发，并用 10% 聚维酮碘清洁。
- 进行局部麻醉时，通过提起头皮皮肤并在 2–3 个位置插入针尖，于皮下注射 0.5 ml 的 2% 利多卡因。
- 通过夹捏脚趾并观察无运动反应来确认麻醉深度足够。此外，监测心率以确保其处于正常范围（300 至 400 次/分钟）。
- 使用 #10 手术刀片沿中线直线切开头皮，暴露冠状缝和矢状缝。
- 用手术刮匙轻轻推开覆盖颅骨的组织，显露 Lambda 和 Bregma 点。
- 调整颅骨水平，使 Bregma 和 Lambda 处于同一平面。
- 为设定参考点，使用配备固定玻璃管的立体定位装置，将其准确定位于 Bregma 正上方。此位置将作为前后方向和内外侧方向测量坐标的“零点”。
- 通过移动立体定位装置至目标坐标来设定感兴趣点，记录立体定位坐标，并在目标区域周围画一方框，标记即将进行颅骨开窗的位置。
- 沿标记的方框使用灭菌的手术钻头缓慢钻孔，避免施加压力，逐步去除骨质。注意不要在同一区域钻孔过久，以免产生热量并导致皮层损伤。
- 当颅骨开窗边界处的骨质已足够薄时，小心用镊子移除该颅骨部分，以暴露皮层。
- 频繁用人工脑脊液冲洗暴露的皮层，以防止组织干燥。
注意：在大鼠中无需去除硬脑膜，因为注射电极的尖端足够坚固，可自行穿透。
3. 注射系统的填充与安装
- 用矿物油通过抽吸填充 5-10 µl 微量注射器。
- 使用固定式玻璃移液管，将皮下注射针头填充含有 0.5% 芝加哥蓝（Chicago Sky Blue, CSB）和 300 µM γ-氨基丁酸（γ-aminobutyric acid, GABA）的溶液，或填充含有 2% 利多卡因和 0.5% CSB 的溶液9。所有溶液均用生理盐水稀释。
- 若试剂充足，可使用普通注射器进行填充，并采用常规预防措施以避免产生气泡。
- 若试剂较为昂贵，可先用矿物油填充注射电极，再通过抽吸方式引入化学试剂。由于矿物油与水之间的密度差异较大，该方法适用于水溶液的注射。
注意：可加入染料以确认两种液体之间的分界。
- 为填充注射移液管，先通过抽吸将溶液吸入 1 ml 注射器，再缓慢将溶液注入注射移液管中。
- 仔细检查 图1 所示区域是否存在泄漏：用棉签清洁这些区域，并通过缓慢注射溶液进一步观察是否有渗漏。
- 移除 1 ml 注射器。操作时应保持对活塞施加轻微压力，以防因真空作用导致溶液从注射移液管中被抽出。
- 通过抽吸将矿物油填充至微量注射器中，并将其牢固连接到已装满溶液的注射移液管上，然后用纱布小心擦去组装好的注射电极表面多余的溶液。
- 通过注射极小体积的液体（足以在玻璃移液管尖端形成微小液滴）来确认尖端未堵塞。
- 将注射电极安装至微泵系统，并确保其固定良好。
- 将注射电极尖端精确置于目标坐标位置，并将其缓慢降至大脑皮层表面。
- 使用立体定位装置，根据相应的解剖学坐标，缓慢将注射电极下移至目标结构（本实验中为上丘）。
- 用温热的琼脂覆盖暴露的皮层，以防止组织干燥。
4. 注射与可逆性失活
- 将微量注射泵设置为以 40 nl/min 的速度注射 400 至 800 nl，并按下运行以开始注射。注意，注射期间放电率会降低。
注意：在实验条件下，神经活动在 GABA 递送结束后一小时内恢复。可使用任何经过校准的机械装置对微量注射器施加压力以完成注射。 - 在获取电生理数据后，采用当地动物伦理委员会批准的方法实施安乐死。
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结果
注射电极的构建如图1所示。将一根银丝（C）插入玻璃移液管（D）中，银丝的一部分弯曲并从管口伸出。一根30 G的针头（B）通过胶水固定并密封在玻璃移液管的开口处。在移液管内填充注射物质后，将玻璃微量注射器（A）连接到针头上。微量注射器与针头的连接处（E）以及银丝从玻璃移液管伸出的部位（F）必须确保良好的密封性。图2展示了完成组装后注射电极的实际外观照片。
如图3所示，在对对侧眼睛施加持续300毫秒的闪光刺激后，记录到上丘的视觉诱发电多单位活动。注射GABA后，闪光刺激诱发的放电活动受到抑制。通常在停止注射后45至60分钟内，视觉诱发电多单位活动恢复。
图4展示了显微注射系统的装置设置。注射泵控制器允许用户设定注射参数。弹簧式电连接器连接从玻璃移液管中伸出的银丝。该连接器通向带有接地电极和参考电极的前置放大器，并插入放大器中。使用模拟/数字（A/D）接口采集电生理数据，同时通过扬声器对神经元活动进...
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讨论
本研究提出的方案旨在解决当前可逆性失活方法所面临的技术难题。具体而言，该项目致力于优化用于化学微量注射以调节神经活动的实验方法，尤其是在深部脑区结构中的应用。此类实验设置带来的一项技术挑战是，需要在活体（in vivo）条件下将两种探针共定位在同一有限空间内，以便在注射位点获得精确的记录数据。这一问题可通过使用本文所介绍的这类兼具注射与记录功能的装置加以解决。其他替代方法包括基于气体压力脉冲的装置，此类工具已存在多年，但由于采用了可压缩的中间介质，导致对注射速率和体积的控制能力下降——而这两个参数对于确保可逆性至关重要。此外，离子电渗注射系统等方法也可用，但其液体扩散动力学与团注（bolus）注射不同，限制了失活作用的潜在范围。这些方法的优势在于可形成球形扩散模式，而微注射则通常呈现椭圆形扩散模式7。因此，失活方法的选择应根据靶向脑区及实验设计进行合理规划。尽管市面上已有商业化的替代方案，但本方案提供了一种成本效益高且可实时监测药物递送过程的方法，同时具备高度的可定制性。这种在注射装置制备上的灵活性，有利于在多种实验场景中实现广泛的适应性与参数优化。
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披露
我们没有需要披露的内容。
致谢
本研究得到加拿大卫生研究院（CIHR，项目号MOP231122）和加拿大自然科学与工程研究理事会（NSERC，项目号RGPIN-2014-06503）资助。我们感谢Geneviève Cyr在实验准备和实验室工作监督方面的协助。MAL获得了加拿大自然科学与工程研究理事会（NSERC）提供的奖学金。
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材料
| 姓名 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
|---|---|---|---|
| 注射泵（UltraMicroPump III） | WPI | #UMP3 | |
| 注射控制台（Micro4 Controller） | WPI | #SYS-MICRO4 | |
| Hamilton 注射器 | Hamliton | (80301) 701LT 10 µL SYR | 使用 5 至 10 μL 之间的注射器 |
| 柔性塑料粘合剂 | Lepage | 393915 | 凝胶状产品更易于涂抹在 30 G 针头的杆部，干燥后可形成防水密封层。 |
| 玻璃移液管 | WPI | #TW100F-4 | 薄壁，外径 1 mm，内径 0.75 mm，带细丝的移液管 |
| 720 型针状移液管拉制仪 | Kopf | 720 | |
| 银丝 | A-M Systems, Inc. | 782500 | 裸丝，直径 0.010” |
参考文献
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重印与许可
