传统的头部固定技术采用金属框架连接颅骨，作为头部固定装置的接口。本方案展示了一种无框架、基于丙烯酸树脂塑形的啮齿类动物行为学实验头部固定技术。
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摘要
摘要
头部固定是一种通过在颅骨上安装头柱以实现刚性夹持来固定动物头部的技术。传统的头部固定需要通过手术将金属框架固定在颅骨上，随后将这些框架夹持到静止平台上，从而实现头部的固定。然而，在一般实验室环境中，用于头部固定的金属框架在设计和实施上存在技术难度。在本研究中，我们提供了一种新型的头部固定方法。在植入手术过程中，使用定制的头部固定杆构建头部安装器。在使用丙烯酸树脂将电极、套管等植入物固定于颅骨后，进一步在上方添加树脂，构建出与固定杆接口相匹配的模具。该成型的头部安装器起到导轨的作用，研究人员可通过将头部安装器插入固定杆的接口中，便捷地完成动物头部的固定。该方法适用于需要使用牙科丙烯酸树脂进行植入手术的情况，对于无法轻易制造数控加工金属头柱的实验室可能尤为适用。
引言
头部固定或头部约束是一种通过在颅骨上安装框架或固定板以实现刚性夹持，从而固定动物头部的技术。该技术已被广泛应用于清醒动物的精确感觉刺激以及伴随或不伴随神经记录的行为感知研究。1-3 以及睡眠-觉醒周期中的邻近细胞标记4也用于 体内 脑成像5,6现在，头部固定技术是神经科学和行为学研究中常用的工具。
传统上，头部固定需要通过手术将金属头柱固定在颅骨顶部6-8。随后将这些固定装置夹紧在静止平台上，从而实现头部的固定。在清醒动物中进行的神经生理学研究，例如神经或光学记录、脑环路干预、脑成像等，通常伴随使用牙科丙烯酸树脂进行的植入手术。因此，当实验需要时，在这些实验室中实施头部固定似乎是一项简单的任务。这些固定装置应设计得足够轻便且体积足够小，以避免干扰动物在饲养笼内的自然行为。同时，在夹紧于静止平台时，装置还需具备足够的机械刚性。此外，根据实验目的的不同，装置还需具备一定的生物相容性。因此，在一般实验室条件下设计和制造此类头柱在技术上具有较大难度。
本研究介绍了一种新型的头部固定方法，通过便捷的夹持方式提供机械刚性，而无需使用金属头柱。采用该方法可在常规实验室条件下完成头部固定，这些条件通常用于啮齿类动物脑部研究的植入手术。该方法在植入手术过程中，利用自制的头部固定杆部分成型丙烯酸树脂水泥，从而替代金属头柱。该固定杆与其他....
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方案
伦理声明：
本实验经庆北国立大学机构动物护理与使用委员会批准，并依照美国国立卫生研究院（1996年）发布的《实验动物护理与使用指南》进行。实验结束后，动物在二氧化碳安乐死条件下被处死。
1. 大鼠头部固定杆的设计
注意：此步骤仅为固定杆设计的通用指南。根据动物种类或植入物的不同，可对尺寸和材料进行相应调整。建议使用 CAD 软件设计头部固定杆，但并非必需。
- 使用 CAD 软件设计一个固定杆。
- 设计一个矩形形状的固定杆（123 × 35 × 6 mm）（图 1A）。在固定杆中部开一个矩形凹槽（16 × 20 mm；端口）。在端口边缘添加用作导轨的斜面或凹陷结构（图 1A-a，图 1B-箭头）。
注意：确保端口区域覆盖大鼠颅骨上大脑范围的估计矩形区域，以便通过颅骨开窗后使用立体定位操纵器垂直进入大脑大部分区域。 - 在固定杆两侧各安装一块带两个长条形锚定孔的板（50 × 20 × 6 mm）。确保这些孔可容纳直径为 6 mm 的螺钉（图 1A-d）。在端口前方制作一个直径为 3 mm 的孔，用于安装锁定钩（图 1A-b）。 ....
- 设计一个矩形形状的固定杆（123 × 35 × 6 mm）（图 1A）。在固定杆中部开一个矩形凹槽（16 × 20 mm；端口）。在端口边缘添加用作导轨的斜面或凹陷结构（图 1A-a，图 1B-箭头）。
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结果
这种头部固定方法适用于大鼠和小鼠。共有八只大鼠接受了双侧埋植刺激电极至内侧前脑束的手术。其中四只大鼠 additionally 在M1前肢区域埋植了定制的钨丝电极（微型驱动装置）（图2C）。对于小鼠（n = 2），将四根不锈钢丝电极植入额叶/枕叶皮层区域。在手术过程中，按照方案第2节所述，为大鼠和小鼠均塑形制作了用于头部固定的装置。术后恢复后，这些动物每日接受头部固定训练，用于适应性训练或行为任务。成型的头部固定装置在整个实验期间均保留在动物头部（大鼠术后保留40.5 ± 1.73（均值 ± 标准差）天，小鼠术后保留81 ± 5.66（均值 ± 标准差）天）。大鼠在行为任务期间每日接受40至60分钟的头部固定；小鼠每日接受20至40分钟的行为任务训练。
此前，我们采用该技术训练大鼠在头部固定状态下推拉杠杆。奖励为对内侧前脑束进行直接电刺激。尽管该刺激会引发明显的运动行为，但头部固定状态始终保持稳定，未发生意外的固定装置分离。
适应后，通过将橡皮筋固定到挂钩上，几秒钟内即可将头固定装置与固定杆的.......
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讨论
本方案展示了一种利用手边材料进行简单便捷的头部固定方法。为实现有效的物理头部固定，手术中的首要关键步骤是在涂抹牙科粘接树脂胶之前，彻底冲洗并干燥颅骨表面。其次，该方法无需在颞肌下植入螺钉，仅依赖于颅骨上的螺钉，因此螺钉垂直植入颅骨边缘表面至关重要10。这可降低树脂固定基座意外从颅骨脱落的可能性，尤其是在大鼠中。
用于构建头部固定装置的丙烯酸树脂会粘附在固定杆上。我们通过在端口上覆盖石蜡膜来防止这一问题，但该操作较为繁琐。一种可能的改进方案是采用金属材料制作固定杆。此外，使用金属固定杆可消除石蜡膜所占据的间隙，从而在夹持时提供更高的稳定性。由于石蜡膜引入的微小间隙，所述方法可能不适用于脑成像研究。该问题也可通过使用金属固定杆或文献中提出的其他方法加以解决12。
该方法的优点之一是具有灵活性（或兼容性）。由于端口区域覆盖了通往大脑几乎所有区域的垂直通路，因此无需针对特定实验设计专用的头部固定框架。一旦设计好固定杆，便可无需任何修改地重复使用。此外，该方法可直接适用于常规实验室条件。通过使.......
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披露
作者无任何利益冲突需要披露。
致谢
本研究由韩国国家研究基金会通过教育科学技术部资助的基础科学研究中心项目（2010-0022362）和（2012R1A2A2A02046812）支持。
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材料
| 姓名 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
|---|---|---|---|
| 牙科丙烯酸树脂 | Lang Dental Manufacturing | Ortho-Jet | 用于制作模制固定架 |
| 石蜡膜 | Bemis | Parafilm | 防止丙烯酸树脂粘附到固定杆上 |
| 牙科粘合剂 | Sun Medical | Super-Bond C&B | 用于丙烯酸树脂与颅骨之间的粘结 |
| 有机玻璃或其他丙烯酸板 | 用于制作固定杆和箱体平台 | ||
| 氰基丙烯酸酯胶 | 用于粘合丙烯酸板 |
参考文献
- Mayrhofer, J. M., et al. Novel two-alternative forced choice paradigm for bilateral vibrotactile whisker frequency discrimination in head-fixed mice and rats. J Neurophysiol. 109, 273-284 (2013).
- Bryant, J. L., Roy, S., Heck, D. H.
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