清醒啮齿类动物经颅电脑刺激

摘要

本方案描述了一种用于在啮齿类动物颅骨表面永久植入电极插座以及胸部植入电极的手术设置。通过将第二个电极插入该插座，可在清醒动物中经完整颅骨向运动系统递送不同类型的经颅电刺激。

摘要

经颅电刺激可以调节人类和啮齿类动物的皮层兴奋性和可塑性。在人类中最常见的刺激形式是经颅直流电刺激（tDCS）。较少使用的是经颅交流电刺激（tACS）或经颅随机噪声刺激（tRNS），后者是一种特定形式的tACS，通过在预定义频率范围内随机施加电流实现。近年来，出于实验和临床目的，人类非侵入性电脑刺激研究不断增加，从而对动物的基础性、机制性和安全性研究提出了更高需求。本文介绍了一种在清醒啮齿类动物中通过完整颅骨靶向运动系统的经颅电脑刺激（tES）模型。该方案提供了手术建立永久性颅外电极插座并联合胸部植入式对电极的逐步操作指南。通过将刺激电极插入颅外插座，可施加多种类型的电刺激，其方式与人类使用的tDCS、tACS和tRNS相当。此外，本文还介绍了在清醒啮齿类动物中实施tES的具体操作步骤。可根据实验需求选择所施加的电流密度、刺激持续时间和刺激类型。文中还讨论了该装置的注意事项、优缺点，以及安全性和耐受性相关问题。

引言

经颅电刺激（tES）向大脑输送电流已有数十年历史，用于研究脑功能并调节行为。近年来，通过两个或更多电极（阳极和阴极）无创地经完整颅骨施加直流电，或较少情况下施加交流电（tACS 和 tRNS），引起了科学界和临床领域的广泛关注。特别是经颅直流电刺激（tDCS），已在超过33,200次实验中应用于健康受试者及神经精神疾病患者，被认为是一种安全、简便、经济有效的床旁干预手段，具有潜在的治疗价值以及持久的行为效应¹。这显然促使人们对机制研究（包括安全性方面）的需求和科学兴趣日益增加。本文重点介绍最常用的刺激形式——tDCS。

跨物种研究表明，经颅直流电刺激（tDCS）可调节皮层兴奋性及突触可塑性。已有研究报道，在大鼠和猫中，皮层兴奋性的变化表现为神经元自发放电频率的极性依赖性改变。^2,3,4，或在人类和小鼠中表现为运动诱发电位（MEP）振幅的变化（阳极刺激后增加，阴极刺激后降低：人类）^5,6；小鼠⁷)。阳极直流电刺激增强了运动皮层或海马突触的突触效能 体外 在给予特定弱突触输入时共施加，或在诱导可塑性的刺激之前施加后，可持续数小时。^8,9,10,11,12因此，只有在tDCS与训练联合应用时，刺激对运动或认知训练效果的促进作用才常常显现^8,13,14,15尽管先前的研究发现主要归因于神经元的功能，但应注意非神经元细胞（胶质细胞）也可能参与经颅直流电刺激（tDCS）的功能效应。例如，在清醒小鼠中，阳极tDCS可引起星形胶质细胞内钙水平升高¹⁶同样，低于神经退行性变阈值的阳极tDCS可诱导小胶质细胞呈剂量依赖性激活¹⁷然而，tDCS 对神经元-胶质细胞相互作用的调节作用仍需进一步的专门研究。

综上所述，动物研究明显加深了我们对经颅直流电刺激（tDCS）在调节兴奋性和可塑性方面作用机制的理解。然而，仍存在一些 "逆向转化鸿沟" 与tES作用机制研究的缓慢且微弱增长相比，人类tDCS研究的出版物数量呈指数级增长 体外 和 在体 动物模型。此外，啮齿类动物经颅电刺激（tES）模型在不同研究实验室间的操作存在高度变异性（从经皮刺激到颅表刺激不等），且报道的刺激方案往往缺乏充分透明度，阻碍了基础研究数据的可比性和可重复性，也影响了结果的解读。

本文详细描述了一种针对初级运动皮层的经颅脑刺激装置的外科实施方法，该方法可在最小化变异性的前提下实现向人类经颅直流电刺激（tDCS）条件的转化，并可在不影响动物行为的情况下进行重复刺激。文中提供了在清醒大鼠中后续实施经颅电刺激（tES）的逐步操作方案，并讨论了在清醒啮齿类动物中安全应用tES的方法学与概念性要点。

方案

涉及动物的研究，必须在实验开始前获得相关（国家特定）的批准。本文所报告的所有动物实验均依照欧盟指令2010/63/EU、2013年7月修订的德国动物保护法（"Tierschutzgesetz"）以及2013年8月修订的德国动物实验管理条例进行。动物实验方案已获得当地主管部门“弗莱堡地区委员会动物实验委员会”和“弗莱堡大学医学中心动物实验委员会”的批准。

1. 手术器械与材料的准备

1. 确保 图1 所列物品均已备好并放置于手术区域。
2. 准备一块细长的矩形铂金片（例如，10 mm × 6 mm × 0.15 mm），作为皮下植入胸部的对电极，并在该铂金片两个对角角落打两个小孔。
3. 使用无铅锡焊料将一根长约 ~10 cm 的绝缘电缆焊接到铂金片的一个角落（无孔的一角）。
4. 在焊点处涂上一小滴组织用丙烯酸胶以作绝缘。

2. 实验大鼠的术前准备

1. 为啮齿类动物分配一个研究编号，并将其记录在准备好的手术卡片上。
2. 称量啮齿类动物的体重，并将体重记录在手术卡片上。根据体重计算注射麻醉剂的剂量（例如，大鼠按80 mg/kg体重给予氯胺酮，同时按12 mg/kg体重给予赛拉嗪）。
3. 通过腹腔（i.p.）注射计算好的麻醉剂量来诱导麻醉。
   注意：若使用吸入麻醉（例如异氟烷），则将啮齿类动物置于诱导室中，持续通入约4%的异氟烷，氧气流速为1-2 L/min。
4. 从注射后5分钟开始，通过夹趾反射检查麻醉深度。如果仍存在夹趾反射，则追加初始剂量30%的麻醉剂，以延长和加深麻醉。
   1. 在实验过程中的任何时间点，若夹趾反射重新出现，应注射初始麻醉剂量的30%。
   2. 若使用吸入麻醉，观察啮齿类动物在诱导室中姿势反射的消失，并通过夹趾反射是否消失来判断麻醉深度。若反射仍然存在，则延长在麻醉室中的时间。在整个实验过程中，根据麻醉深度调整异氟烷的浓度，直至维持在约1-1.5%的维持浓度。
   3. 当呼吸频率降低并出现喘息时，应降低异氟烷浓度；当啮齿类动物恢复夹趾反射或出现自发运动时，应增加吸入麻醉剂的浓度。
5. 一旦反射消失，立即将啮齿类动物放置在实验台面上或用手握住。
   注意：若使用吸入麻醉，应通过连接雾化器的喷嘴继续提供较低浓度的异氟烷（此时为2-3%）。
6. 使用剃毛器剃除大鼠头部从一侧耳至另一侧耳、从前眼角水平至耳后区域的毛发。然后剃除胸部从前肢之间、从剑突向上至锁骨区域的毛发。
   注意：保持皮肤张力有助于顺利剃毛。
7. 在大鼠眼睛上涂抹适量眼膏，以保护角膜。
8. 根据分配的研究编号对大鼠耳朵进行标记。
   注意：根据研究持续时间的长短，尾部标记可能已足够；否则，建议采用标准化的耳部标记方法。

3. 手术步骤：胸部电极植入

注意：当将参考电极置于剃毛后的胸部并通过背心固定时，可跳过此步骤。

1. 将啮齿类动物俯卧（胸部朝下）放置于手术台上。
   注意：若使用吸入麻醉，需使大鼠的鼻部保持在麻醉喷嘴内，并将异氟烷浓度进一步降低至1.5–2%。
2. 使用消毒喷雾或浸有抗菌剂（例如，70%乙醇）的棉签对剃净的头皮进行消毒，并使其自然风干。重复此步骤两次。
3. 使用手术刀从眼前部水平至耳中部水平沿一条直线切开皮肤。
   注意：此切口可便于将胸部植入电极的连接导线经皮下通路引至头部顶部，同时也适用于直流电刺激（DCS）电极插座的放置。
4. 将大鼠转为仰卧位，暴露胸部区域。
5. 参照步骤3.2所述方法，对胸部皮肤进行消毒。
6. 用组织镊提起右侧胸部外侧皮肤，并在右侧腋窝内侧约0.5 cm处用小剪刀剪出一个纽扣状小孔。然后沿头侧方向做一条直线矢状切口。
7. 通过无创方式将皮肤与左侧胸大肌分离，形成一个皮下囊袋。操作时可反复张开小剪刀或使用浸有生理盐水的棉签完成分离。
8. 将动物置于右侧卧位，使用止血钳穿透浅筋膜，从头部切口的左枕角沿颈部开辟一条通路，将导线经皮下隧道引出至胸肌囊袋内。
9. 小心张开止血钳，夹住连接在铂电极上的电极导线末端，避免尖锐金属丝外露。将导线沿隧道缓慢拉出，直至电极完全进入囊袋，并使焊点朝向啮齿类动物的左后肢方向。随后将动物恢复至俯卧位。
10. 使用无菌合成编织不可吸收缝线，将铂电极板固定于胸筋膜上相对的两个角孔处（建议打4–5个结以确保牢固）。
11. 同样方式，通过一个松结将导线固定于筋膜上，在进入组织隧道前留出轻微环状松弛段。
12. 根据切口大小，使用3–4个皮肤缝线闭合切口（可使用与电极和导线相同的缝线材料）。

4. 手术操作：颅外tES套管的放置

1. 将动物置于立体定位仪中。
   注意：若使用吸入麻醉，应将麻醉剂浓度降低至维持异氟烷流量约1.5-1%，并根据脚趾夹捏反射和呼吸模式进行调整。
2. 按照步骤 3.2 中所述对剃净的头皮进行消毒。
3. 使用手术刀从眼前部水平位置至耳中部水平位置沿一条直线切开皮肤。
   注意：如果已进行胸部电极放置，则步骤 4.2 和 4.3 已完成。
4. 用手术刀将骨膜（颅骨上的结缔组织）向两侧刮开，并用棉签彻底擦拭干净。用鳄鱼夹在切口的四个角固定结缔组织，并使其向侧方悬垂，以保持手术视野开放。
5. 用棉签蘸取0.9%生理盐水清洁骨面及组织，随后用3% H₂O₂清洁骨面。₂O₂避免接触周围组织。通过这种方式可更彻底地清洁骨面，并止住骨组织的轻微出血。同时，骨膜残余物将变得可见，可用棉签施加适度压力将其清除。
   注意：清除残留的骨膜将增强经颅电刺激插座与骨面粘接的粘附性和耐久性。
   1. 若出现无法控制的出血，使用骨钻并以轻微压力在骨面上接触1-3秒。该机械操作在大多数情况下可止血，且不会引起明显升温。切勿在骨组织上使用电凝术，即使短暂应用也会导致脑组织损伤（电凝术仅可用于伤口组织出血的处理）。
6. 由于固定螺钉可提高装置的稳定性，应选择与螺钉尺寸匹配的钻头。使用手钻预钻孔，再施加轻微垂直压力用骨钻钻出两个骨窗，位置应位于不同的骨板上。钻孔位置应避免过于靠近经颅电刺激（tES）插座的预定位置，以免影响电极的固定。例如， 针对左侧初级运动皮层的经颅电刺激（tES），选择右侧额部和后顶叶的螺钉位置。
7. 若植入对侧电极，则在右侧后顶骨钻第三个孔，用于日后固定穿行的电缆。
8. 将塑料螺钉放入钻孔中并旋紧，直至感觉到初始摩擦阻力，然后额外旋转三圈半。 ° 螺钉旋转。用镊子检查螺钉的稳定性，若不够牢固，则再旋转一圈。
   注意：对于成年大鼠，这将确保螺钉置于硬脑膜外而不损伤硬脑膜或脑组织（根据螺钉螺纹设计的不同，旋转圈数可能有所差异）。使用不锈钢螺钉也是可行的，因为即使在超过神经变性阈值的直流电电流密度下，螺钉的放置也不会影响其下方脑组织的损伤位置或范围。
9. 打开电烙铁，预热约5分钟。将从枕部组织隧道穿出的导线缠绕在右侧顶骨螺钉上，然后剪断导线，保留绕线后端约1 cm的导线长度。用手术刀小心剥离导线末端的绝缘层。
10. 用氰基丙烯酸酯胶将盘绕的电缆固定在螺钉和骨头上。
11. 将少量无铅锡焊料涂在连接器和对电极电缆的裸露导线上，然后通过短暂地将两个预上锡的部分压在一起，并用焊头接触直至锡焊料熔化（约2-3秒），完成连接。立即移开焊头，以避免电缆金属过度受热，导致后续组织损伤。
12. 拿起定制的 tES 电极插座（图1B，用弯头锯齿尖镊子（红色）夹住插座底部边缘，涂抹一层薄薄的氰基丙烯酸酯胶水。若将插座置于运动皮层上方且使用直径为4 mm的插座，则将插座中心点置于颅骨前囟前2 mm、外侧2 mm处。在此位置，插座内侧边缘应恰好位于矢状缝处，尾侧边缘应与前囟齐平。将插座短暂按压在颅骨上（大多数氰基丙烯酸酯胶水通过加压固化）。
    注意：将光源直接置于插座上方有助于放置插座。
13. 确保插座区域内的颅骨无胶水残留（可通过光照检查，因为胶水具有反光性）。若发生胶水溢出，需取下插座，用手术刀刮除胶水，并重复步骤4.12。
14. 套管就位且未来的刺激区域无胶水后，先用少量氰基丙烯酸酯胶水将套管侧缘与邻近组织密封，以防止形成液体桥，避免此处电流分流。切勿使用过多胶水，以免其流入刺激区域（若发生此情况，返回步骤4.12）。
    注意：保持刺激区域无胶水至关重要，因为刺激面积减小可能会显著增加电流密度（A/m²）。²).
15. 用氰基丙烯酸酯胶水覆盖所有螺丝。
16. 将双组分牙科丙烯酸水泥在小硅胶管或玻璃器皿中混合。一旦其变得黏稠，立即使用牙科抹刀将其涂抹于插座剩余的边缘处，以密封插座与骨组织之间的缝隙。注意避免牙科丙烯酸水泥流入刺激区域。
17. 最后覆盖整个颅骨、螺钉、参考电极导线以及插座直至 ⅓ 用牙科丙烯酸树脂水泥固定套管。确保水泥具有适当的黏度：若过于稀薄，会流入周围组织；若过于坚硬，则难以均匀分布。
18. 当所有骨骼被覆盖且水泥完全硬化后，移除动脉夹；皮肤应恰好接触堆叠的水泥，从而无需缝合。（如果初始切口过长，导致结缔组织或肌肉暴露，则按步骤3.12所述进行缝合。）
19. 用棉签在切开的皮肤边缘周围涂抹一层碘伏，并在皮下注射卡洛芬（5 mg/kg体重，溶于5-7.5 mL 0.9%生理盐水中，用于镇痛和补液）。
    注意：如果使用吸入麻醉，现在请关闭。
20. 将啮齿类动物置于保温箱中，使其从麻醉状态恢复，直至动物苏醒并恢复姿势稳定性。
    注意：根据机构的建议，每天检查动物的体重变化、伤口状况及一般健康状况。

5. 经颅电刺激操作步骤

注意：由于麻醉会影响经颅电刺激（tES）的效果，建议尽可能在清醒的啮齿类动物中进行刺激。在开始实验前，应让啮齿类动物至少恢复5天（以使头部和胸部伤口愈合）。若使用固定在背心上的体外参考电极，则可在术后较早时间点开展实验，因为胸部伤口最为敏感；但动物需要数天时间适应电极背心，且可能干扰行为学任务的执行。

1. 用0.9%生理盐水填充tES电极插座的一半，并去除气泡。
2. 在进行阴极tDCS刺激前，始终检查氯化状态；如果需要（例如银表面光亮），则重新氯化Ag/AgCl电极。在进行阳极tDCS刺激前，使用砂纸去除之前刺激可能残留的过量AgCl沉积物，以确保刺激期间良好的导电性。旋紧tES电极的螺帽（图1B，灰色部件）。
   警告：若在每次阴极tDCS刺激之间未重新氯化电极，将在刺激过程中耗尽氯化层，并因电化学反应产生有毒物质，导致组织损伤。若单次刺激持续时间少于20分钟，则无需在同一次实验过程中重复氯化。
3. 将导线连接至头部的两个接头（进行阳极刺激时，阳极导线连接至螺帽上的接头；进行阴极刺激时则相反）。
   注意：当使用体外放置的回路电极时，需在回路电极上涂抹导电凝胶，并将其置于啮齿类动物胸部。若将电极预先固定于小型啮齿类背心内，使动物在刺激期间穿戴，则操作更为简便。
4. 将啮齿类动物放入实验笼中，导线连接至笼子上方的旋转接头，以允许其自由活动。
5. 打开刺激器，并调节刺激参数（刺激强度、持续时间、上升和下降时间）。
6. 当使用的刺激设备并非 commercially available 且不具备安全自动关断和断开警报功能时，应在电路中加入电流表以监测恒定电流的流动。
   注意：利用此装置，可在动物执行或训练行为任务的同时施加刺激。
7. 在刺激过程中观察啮齿类动物是否有应激或不适的迹象。
8. 刺激结束后，断开导线连接，旋下头部的电极帽，用棉签清洁并干燥插座。随后将动物放回饲养环境，或根据需要继续进行行为学实验操作。

结果

所描述的用于在清醒啮齿类动物中可靠重复进行经颅电刺激（tES）的装置设置，可轻松整合到机制性实验、剂量-反应研究或包含行为学任务的实验中。迄今为止，由于各实验室之间tES刺激装置设置的差异以及刺激参数的不同，采用（非侵入性）tES的动物研究数据之间的可比性受到限制。例如， 与人体应用相比，施加了过高且不切实际的电流密度）。因此，动物研究在经颅电刺激（tES）领域的信息价值有限。本文介绍了一种tES设置，通过将“主动”电极置于目标皮层（此处为初级运动皮层（M1））上方的骨性结构上，以生理盐水作为优选导电介质，并将回路电极置于胸部（体外或植入式），从而实现在不同实验室之间易于标准化的操作方案。

鉴于啮齿类动物体型较小，将电极置于其皮肤上目标皮层的对应位置可能会导致过度分流，特别是当对侧电极放置位置较近时 例如， 颈部（有关当前建模的示例，请参见 图3 （改编自参...

讨论

本方案描述了在清醒啮齿类动物中建立永久性经颅电刺激（tES）装置及后续刺激的典型材料和操作步骤。在准备啮齿类动物tES实验时，需考虑多个方法学方面（如tES的安全性和耐受性、结果参数）以及概念性方面（如与人类状况的可比性、对特定脑区刺激预期产生的效应）。从方法学角度来看，将颅骨tES插座与植入胸部的对侧电极相结合的手术装置有利于纵向研究，因为它允许在清醒、自由活动的啮齿类动物中进行刺激。虽然需要使动物适应电缆连接和永久性装置，但此后可实现tES与行为任务的联合应用。此外，与将对侧电极缝合于背心中的方式相比，该装置在刺激过程中可能使动物不适感更低，因为在前者情况下动物活动不受限制，且植入电极在刺激期间能确保与组织的良好接触。

所展示的经颅电刺激（tES）装置已用于持续长达3个月的实验，期间未出现任何电极导线断裂、材料不稳定或感染情况。因此，该装置很可能也适用于超过此期限的实验。

这种颅顶刺激布局可防止电流通过皮肤结构发生过度分流，这在啮齿类动物中可能更为显著，因为电极相对于其体型的比例关系所致（见

材料

本文使用的材料清单

姓名	公司	目录编号	评论
Softasept N	B. Braun Melsungen AG， Melsungen，德国	3887138	消毒剂
70% 乙醇	Carl Roth GmbH & Co. KG，Karlsruhe，德国	T913.1
弯头镊子	FST Fine Science Tools，Heidelberg，德国	11071-10
虹膜镊，10 cm，直型，带齿	World Precision Instruments, Inc, Sarasota, FL, USA, Inc, Sarasota, FL, USA	15914
手术刀柄 #3，13 cm	World Precision Instruments, Inc, Sarasota, FL, USA, Inc, Sarasota, FL, USA	500236
标准手术刀片 #10	World Precision Instruments, Inc, Sarasota, FL, USA, Inc, Sarasota, FL, USA	500239
Zelletten 纤维素棉签	Lohmann und Rauscher，Neuwied，德国	13349	5 × 4 cm
异氟烷	AbbVie Deutschland GmbH & Co	N01AB06
虹膜剪，11.5 cm，直型	World Precision Instruments, Inc, Sarasota, FL, USA, Inc, Sarasota, FL, USA	501758	小型剪刀
棉签/棉棒	Carl Roth GmbH & Co. KG，Karlsruhe，德国	EH12.1	Rotilabo
Kelly 止血钳，14 cm，直型	World Precision Instruments, Inc, Sarasota, FL, USA, Inc, Sarasota, FL, USA	501241	外科止血钳
电极板（铂金）	定制	Wissenschaftliche Werkstatt Neurozentrum Uniklinik Freiburg，德国	10 × 6 mm，厚度 0.15 mm
绝缘铜丝（直径约 1 mm）	Reichelt Elektronik GmbH & Co. KG，Sande，德国	LITZE BL	电极导线
Weller EC 2002 M 焊接站	Weller Tools GmbH，Besigheim，德国	EC2002M1D
Iso-Core EL 0.5 mm	FELDER GMBH Löttechnik，Oberhausen，德国	20970510	无铅焊料
MERSILENE 聚酯纤维缝线	Johnson & Johnson Medical GmbH, Ethicon Deutschland, Norderstedt, Germany	R871H	不可吸收编织缝线，4-0
Histoacryl	B. Braun Melsungen AG， Melsungen，德国	9381104	氰基丙烯酸酯
10% 氯胺酮	Medistar GmbH，德国	n/a	麻醉剂
罗姆潘 2%（赛拉嗪）	Bayer GmbH，德国	n/a	麻醉剂