本研究介绍了在乌拉坦麻醉条件下对超直接通路进行多部位体内电生理记录的方法学。
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本文内容
摘要
摘要
越来越多的证据表明，许多神经精神疾病应被视为大规模神经元网络的紊乱。为了更好地理解这些疾病的病理生理基础，有必要精确描述神经回路中不同神经元部分之间的信息处理在何种方式上受到干扰。通过使用细胞外记录技术 体内 电生理记录，可以精确定义神经网络中的神经元活动。与替代技术相比，该方法的应用具有多项优势， 例如，功能性磁共振成像和钙成像，因为它具有独特的时空分辨率，且不依赖于基因工程生物体。然而，细胞外探针的使用 体内 由于该技术具有侵入性，无法普遍应用，因此其记录范围受到限制。本文介绍了一种简单且易于使用的方法，可同时在多个位点记录网络中的细胞外电位，如局部场电位和多单元放电活动。文中详细阐述了如何通过立体定向手术与多单元放电记录的在线分析相结合，实现对皮层下核团的精确定位。由此展示了如何在麻醉动物中研究完整的神经网络，例如超直接皮质-基底神经节环路。 体内.
引言
越来越多的累积证据表明，帕金森病（PD）和精神分裂症等多种神经精神疾病的发生机制基于广泛神经环路的关键性功能障碍，这些环路常涉及皮层和皮层下结构1,2,3根据该理论，疾病临床表现的产生是由于细胞网络的信息处理能力受损，而非单个细胞或特定神经元成分的损伤所致。1,2,3为了加深对这一复杂神经精神疾病群体的理解并寻找新的治疗方案，必须详细表征人类患者及动物模型中这些功能紊乱神经网络的神经元动态。在活体受试者中研究大规模神经网络的一种卓越方法是多部位细胞外电位的电生理记录。4利用该方法，可同时评估主要代表兴奋性和抑制性突触后电流时间总和的局部场电位（LFPs），以及由突触前电位产生的多单元活动（MUA）5细胞外电位记录相较于其他研究网络的方法具有多项优势， 例如，功能性磁共振成像和钙成像，因为它具有更高的时间和空间分辨率，且不依赖于基因工程改造的生物体5。然而，细胞外物质的使用 体内 由于这是一种侵入性技术，无法普遍应用，因此其记录受到限制。
在清醒和麻醉动物中均可进行体内电生理记录6。这两种方法各有其优缺点。对清醒动物的研究可在动物执行特定行为任务时记录脑信号，但容易受到运动相关及其他伪迹的影响7,8。而对麻醉动物的记录则可在高度明确的皮层同步状态下以最少的伪迹评估局部场电位（LFPs）和多单元活动（MUA），但其结果在一定程度上与清醒状态下的发现有所不同9,10,11。
近年来，研究已表明，局部场电位（LFPs）的采样对于阐明网络活动的病理变化尤其有用。一个典型的例子是关于帕金森病（PD）患者及该疾病动物模型病理生理学的研究，这些研究表明，皮质-基底神经节环路中增强的β振荡与帕金森病的运动症状相关12,13。基于这一研究方向，目前正探索β振荡是否可作为闭环深部脑刺激的在线反馈生物标志物14,15。
本研究详细描述了在乌拉坦麻醉的大鼠中进行的急性多部位体内局部场电位（LFPs）和多单元电活动（MUA）的电生理记录。本文展示了如何利用标准和定制电极从电生理学角度表征完整的神经网络（如超直接皮质-基底神经节通路），以及如何制备这些电极。特别强调了如何通过立体定位手术与多单元电活动的在线记录相结合，实现对基底神经节核团的精确定位。
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方案
实验操作严格遵循德国动物福利法（2014年最新修订版）及欧洲法规（2010/63/EU）。实验已获当地动物福利主管部门（LaGeSo，柏林）批准，并符合当地部门及国际指南的要求。
注意：在本方法中，使用两种电极模型记录来自连接初级运动皮层（M1）与丘脑底核（STN）以及黑质网状部（SNr）的超直接皮质-基底神经节通路的信号。M1区的硬膜外皮层脑电图（ECoG）记录采用定制的低阻抗Ag/AgCl电极。STN和SNr的记录则使用 commercially available 高阻抗钨电极进行。
1. 硬膜外Ag/AgCl电极的制备
- 取一段长约5 cm、纯度为99.99%的银丝，直径为200 µm，必要时去除表面涂层。
- 用镊子夹住银丝末端，将尖端朝下放入打火机或蜡烛火焰中，直至尖端开始熔化。待其形成直径约1 mm的球形后，从球形尖端起始处截取总长为15 mm的预成型电极。
- 在银丝末端焊接一个与所用电生理记录系统匹配的精密连接器。从导线末端至连接器处涂覆导电银漆，以增强导电性，提高信号质量。
- 待导电银漆干燥后，用一段长度为3 mm至1 mm的热缩管包裹焊点。使用钟表匠锤小心地将球形尖端压扁至原厚度的一半。
- 戴上检查手套，用蘸有100%乙醇的无尘清洁布擦拭，以去除任何污垢和油脂。
- 将电极放入15 mL离心管或细胞培养管中，并加入家用次氯酸钠漂白剂（注意：每100 g溶剂含2.8 g次氯酸钠），直至完全浸没球形尖端。
注意：漂白剂具有腐蚀性，务必遵循制造商的安全说明。 - 23分钟后取出电极，用大量蒸馏水冲洗。成功形成氯化银层的表现为颜色均匀地变为紫色。
- 在空气中自然干燥。完全干燥后，用精细镊子夹取电极，使用细毛刷涂抹液态电绝缘材料。从电极尖端后方的导线处开始，覆盖至热缩管位置。绝缘层至少静置干燥2小时。
- 为进行质量控制，使用万用表检测电导率。如有条件，将电极与测试探针置于含0.9% NaCl的H2O溶液中（两者不接触），在1 kHz频率下使用合适的阻抗仪进行阻抗测试。1 kHz时的阻抗值应约为8 kΩ。
2. 将电极固定至立体定位仪支架
注意：为同时记录多单元放电（MUA）和局部场电位（LFP），请使用阻抗为 1.5 MΩ 的钨丝微电极。如果记录的重点是高质量的单个神经元信号，应选择更高阻抗的微电极（>5 MΩ）。如果研究目的仅针对 LFP，则可接受使用较低阻抗的电极。对于需要频繁进行背腹向立体定位调整的小型脑区，应使用具有合适背腹向尖端间距（本例中为 250 µm）的电极对。此外，如有需要，这种方法还可提供更局部化的参考电极。立体定位坐标始终以最下方的电极为基准点，并以颅骨前囟（bregma）为参考进行计算。
- 取一个带有丙烯酸块和夹具的标准立体定位电极夹持器，并将其牢固地放置在手术显微镜视野内的平坦表面上。
- 使用精细镊子，用胶带片（3 mm × 8 mm）将第一对电极松散地固定在夹持器的丙烯酸块上。电极应从丙烯酸块前端突出约 12 mm。
- 将第二根双极电极小心地固定在第一根电极旁边。为靶向超直接通路的结构，两电极间距应为 2 mm（图1）。对于大多数标准立体定位电极夹持器，此距离对应于相邻的凹槽。使用游标卡尺进行验证。不同神经网络可采用相同方式接近；为此，可将丙烯酸块旋转一定角度。
- 在显微镜观察下，通过小心滑动调整第二对电极的位置，使其最腹侧尖端相比第一根电极约内缩 200 µm（图1）。可使用 30 G 套管针（外径 300 µm）辅助更准确地估计该距离。
- 压紧胶带，然后用夹持器的金属夹具固定。
3. 手术
- 进行电生理记录时，使用乌拉坦（注意）进行麻醉。
注意：乌拉坦具有毒性和致癌性，因此务必遵守该物质生产商提供的安全规定和数据表。 - 配制含有200 mg/mL尿素烷的0.9% NaCl生理盐水溶液。
- 腹腔注射（IP）给予1.3 g/kg体重的乌拉坦。根据大鼠品系的不同，为提高麻醉安全性，可将总剂量分为两次注射，两次注射之间间隔15分钟。
- 通过脚趾回缩反射及其他适当的反射检查麻醉深度。如果麻醉深度不足以进行手术，可腹腔注射0.15 g/kg体重的乌拉坦，并等待15分钟。
- 涂抹眼膏以防止角膜脱水。
- 在整个麻醉过程中持续监测呼吸频率和足底回缩反射。使用带温度控制的小动物加热垫，以确保手术期间维持生理体温。在开始电生理记录之前，更换为非电学替代方案（例如 乙酸钠头部垫
- 剃除头部背侧的毛发，以获得清洁的手术区域。使用适当的外科消毒剂对切口部位周围进行消毒。将动物固定于立体定位仪中。
- 用手术刀沿矢状方向在头皮上做一个2厘米长的切口。用手术刀轻轻刮除颅骨腱膜，并对颅骨进行消毒。使用浸有3% H2O2 以去除任何残留组织。
- 必要时使用电灼器或热灼器控制出血。如果颅骨和皮下组织出血在1-2分钟后仍未自行停止，并妨碍对颅骨的观察，则应予以止血。
- 调整门齿杆，直至头部处于平颅位，即以颅骨上的前囟（bregma）和后囟（lambda）作为立体定位参考点时，二者位于同一平面。这是实现高精度手术操作的关键步骤。使用标准的大鼠立体定位对准工具，在显微镜视野下将工具的标定尖端对准前囟，然后调节门齿杆，直至工具上标定的前囟点和后囟点同时接触颅骨表面。
注意：从一侧观察并从另一侧用聚焦光照射可能有助于判断此状态。或者，使用带有细导管的立体定位仪，在显微视觉下测量前囟（Bregma）和后囟（lambda）的背腹向坐标。调整门齿杆位置，直至前囟与后囟的背腹向坐标相同。 - 使用立体定位仪固定套管，以颅骨前囟为基准进行校准，然后计算颅骨上所有钻孔位置。利用立体定位仪，通过轻划颅骨表面或使用外科染色标记笔，标记出需钻孔的位置。具体坐标取决于目标脑区，以颅骨前囟为参照，用于标记直接通路的坐标如下 表1，包括小脑参考电极的建议坐标。
- 使用微型钻头小心钻出所有孔。对于丘脑底核（STN）和黑质网状部（SNr），钻一个共用孔（大小约为 2 mm × 3 mm）。其余所有钻孔直径应约为 1 mm。
- 取两根细导管（至少27 G），利用硬质表面或镊子将其尖端弯成钩状。用其清除钻孔中的碎屑，并小心剪开并移除STN/SNr共用孔中的硬脑膜。
- 用生理盐水冲洗钻孔部位。每隔15分钟向钻孔处滴加一滴生理盐水，以防止脑组织和硬脑膜干燥。
- 使用微型钻头和配套的不锈钢微型螺钉（例如 在小脑和M1硬膜外电极的钻孔之间，钻孔并拧入一枚M 1.2 mm × 2 mm的微型螺钉。
- 将自制的Ag/AgCl硬膜外电极滑入参考电极和M1电极的钻孔中。使用精细镊子引导电极尖端，将其直接滑入颅骨下方的钻孔内。
- 使用双组分牙科丙烯酸树脂固定所有硬膜外电极。注意不要覆盖前囟点，也不要影响共同的STN/SNr钻孔。
- 将装有钨丝微电极的预制电极架插入立体定位仪框架中。
- 校准最腹侧的电极，该电极用于靶向丘脑底核（STN），将其对准前囟。调整至共同的STN/SNr孔上方的计算位置，并在显微镜视野下将电极缓慢下放至脑组织。确保钨丝微电极平滑地进入脑内。
4. 电生理定位与记录
注意：此步骤需要使用法拉第笼，以及一套具备在线滤波和在线峰电位分离功能的多通道电生理记录系统。建议选用配备靠近动物头部的前置放大器的系统，以将电噪声和伪迹降至最低。除钨丝微电极外，至少还需要一个硬膜外电极和一个参考电极，以实现对超直接通路的记录。建议成对植入硬膜外电极和参考电极，但彼此不接触，这有助于在电极故障时进行排查，并允许在数据分析中采用不同类型的参考方式。
- 将移动式法拉第笼放置在立体定位仪上方。如果仅有固定式法拉第笼，需小心地将立体定位仪移入法拉第笼内，并确保在立体定位仪到达最终位置前，深部脑电极未插入脑组织中。
- 将电极连接至电生理记录系统的前置放大器（headstage）。确保参考电极已连接至相应的参考通道。
- 设置记录软件：对原始信号进行带通滤波（0.05–8,000 Hz）并放大（增益 1,500–2,000 倍）。使用在线局部场电位（LFP）和动作电位（spike）滤波器，并设置适当参数（LFP 采用 0.05–250 Hz 带通滤波，多单元活动 MUA 采用 300–8,000 Hz 带通滤波）。所有滤波器均使用巴特沃斯（butterworth-type）滤波器。
- 如适用，设置在线动作电位分选的阈值。大多数记录软件允许设定动作电位阈值，即当信号幅度超过该值时，软件将其标记为一个动作电位。该阈值可通过数学方法确定，例如取滤波后动作电位信号平均幅度的若干倍标准差；但更推荐通过目视检查时长小于 <500 ms 的数据片段，在图形用户界面中设定一条高于信号噪声水平的阈值线。
注意：设定动作电位阈值的目的是统计动作电位数量并进行单元分选，以提供当前记录到多少神经元及其动作电位波形特征的信息。 - 缓慢将钨丝微电极下降至目标区域背侧 1 mm 处，目标区域为超直接通路相关的丘脑底核（STN）。如有必要，等待信号稳定。
- 进行电生理定位时，以 100 µm 为步长将电极向腹侧推进。每一步均评估放电模式、放电频率及动作电位波形，并与图 2中提供的典型示例进行比较。通常，致密核团在多个背腹向步骤中表现出快速且持续的放电，而富含纤维的结构则在后续腹侧步骤中表现出较低的放电率和较不均一的动作电位活动。
- 对于超直接通路记录，需确保最腹侧的电极位于 STN 内。
注意：当在未定带（Zona incerta）腹侧检测到多单元活动（MUA）显著增加时，表明已到达 STN。在 STN 腹侧，放电几乎完全停止，因为电极已进入内囊。当最腹侧电极位于 STN 时，钨丝微电极的构型可确保后方第二个电极位于黑质网状部（SNr）。可能需要以微小步长进行背腹向精细调节，以便同时记录到 STN 和 SNr 的典型 MUA。需注意，MUA 的频率取决于实际记录到的神经元数量以及脑激活水平。 - 当电极到达目标结构后，设置在线滤波与动作电位分选（见图 4），然后开始数据记录。在局部场电位（LFP）记录中可识别出的不同皮层同步状态的典型示例如图 3所示。
5. 实验结束
- 当记录完成后，缓慢将电极从脑组织中提起，并立即用生理盐水冲洗。电极在彻底冲洗并经目视检查后可重复使用。弃用弯曲的电极。
- 通过腹腔注射过量乌拉坦（2.5 g/kg 体重）处死动物。
注意：乌拉坦仅可用于终末操作。 - 如果需要对电极位置进行组织学验证或其他组织学染色操作，应将脑组织从颅骨中取出，并进行适当的组织处理。
注意：根据预期的染色方法，可能需要进行经心脏灌注。对于死后验证电极位置，大多数情况下，标准的尼氏染色已足以显示电极的穿行轨迹 例如 冠状脑切片。为进一步辅助组织学靶点验证，可采用以下方法：通过记录电极向脑组织施加电流以产生电诱导损伤，或在插入电极前应用生物相容性染料。16,17.
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结果
使用此处所述的记录电极，可从初级运动皮层、丘脑底核和黑质网状部采集局部场电位（LFP），并从丘脑底核（STN）和黑质网状部（SNr）采集多单元电活动（MUA）。最初，LFP和多单元电活动共同记录为宽带信号。随后，通过带通滤波器将LFP和MUA分离（LFP为0.05–250 Hz，MUA为300–4,000 Hz）。
为了准确定位皮层下核团，尤其是像丘脑底核（STN）这样的微小结构，将计划的立体定向坐标与在线记录的多单元电活动（MUA）信号对齐具有显著优势。在电极轨迹针对STN时，可记录到特征性的MUA放电模式（图2）9,20。
在分析的后续步骤中，通常需要通...
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讨论
本研究展示了如何利用啮齿类动物中连接M1与STN和SNr的超直接皮质-基底神经节通路作为示例，同步记录给定神经网络多个位点的细胞外电生理信号。
记录丘脑下核（STN）等皮层下小结构的关键步骤是将记录电极精确引导至靶点。在本方法中，注意两个关键步骤可确保靶向的高准确性。在将电极插入脑组织之前，准备动物并将其固定于立体定位仪时，必须确保颅骨处于"平颅"位置22。为达到平颅位置，需调整立体定位仪门齿杆的位置，直至颅骨上的前囟（bregma）和后囟（lambda）参考点处于相同的背腹平面21。只有确保这一位置，才能将立体定位图谱中的坐标高精度地应用于个体实验动物，因为图谱的构建正是基于平颅位置21。此外，实验证据表明，采用个体化的平颅位置进行靶向的准确性优于固定门齿杆位置的调整方式23。记录电极在背腹平面上的位置应通过持续监测多单位放电活动进行精细调节。沿电极轨迹经过的不同核团和白质结...
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披露
作者无任何利益冲突需要披露。
致谢
感谢德国研究基金会（DFG），KFO 247，为本研究提供资金支持。
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材料
| 姓名 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
|---|---|---|---|
| 定制的硬膜外 Ag/AgCl 电极 | Goodfellow GmbH D-61213 Bad Nauheim, Germany info@goodfellow.com | 产品编号 AG005127，用于 99.99% 银丝 | Ag/AgCl 电极可提供更优的信号质量，但仅可用于急性实验。可能的替代品：不锈钢电极 |
| 带丙烯酸块的立体定位仪夹持器 | David Kopf Instruments, 7324 Elmo Street, Tujunga, CA 91042, USA | 产品编号 型号 1770 标准电极夹持器 | 确保丙烯酸块具有适合目标区域电极设置的凹槽。可用锉刀轻松修改丙烯酸块以获得所需构型。可能的替代品：自制电极夹持器 |
| 钨丝微电极，阻抗 1.5 MΩ | Microprobes.com 18247-D Flower Hill Way Gaithersburg, Maryland, 20879 USA | 产品编号 WE3ST31.5A5-250um | 1.5 MΩ 的阻抗对于同时记录多单元放电（MUA）和局部场电位（LFP）是必需的。可能的替代品：可使用不同材料的微电极。电极必须笔直、坚固且尽可能细。 |
| 大鼠对准工具 | David Kopf Instruments, 7324 Elmo Street, Tujunga, CA 91042, USA | 产品编号 型号 944 大鼠对准工具 | 可实现脑组织的精确定向，以匹配立体定位图谱。可能的替代品：带套管的立体定位夹持器 |
| 双组分牙科丙烯酸树脂 | Associated Dental Products Ltd. Kemdent Works, Purton, Swindon Wiltshire, SN5 4HT, United Kingdom | Simplex Rapid Powder Clear 225g，产品代码：ACR803；Simplex Rapid Liquid 150ml，产品代码：ACR920 | 根据所用电极的不同，若电极体积小且重量轻，使用超级胶水可能是一种简便的替代方案。可能的替代品：超级胶水（氰基丙烯酸酯类） |
| 法拉第笼 | 自行构建 | 合适的法拉第笼是对抗电磁干扰的最佳防护，但任何可形成箱形或覆盖在框架上且由导电材料制成的物体均可能有所帮助。可能的替代品：铝箔或铜网 | |
| 具备记录软件及在线 spike 分类功能的电生理记录系统 | OmniPlex® Neural Data Acquisition System Plexon Inc 6500 Greenville Avenue, Suite 700 Dallas, Texas 75206 USA | 离线分类软件是一种潜在替代方案，可在开源社区中免费获取多种脚本和软件。 |
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