我们描述了在固定头部的小鼠于富含线索的跑步机装置上奔跑时，植入慢性硅探针并记录位置细胞的多种步骤。
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本文内容
摘要
摘要
理解大脑功能的一个重要前提是确定行为与细胞活动之间的关联。硅探针是用于大规模记录神经元电活动的先进电极，但其慢性植入技术仍不够成熟。已知海马位置细胞的活动与动物在环境中的位置相关，但其潜在机制尚不清楚。为研究位置细胞，本文介绍了一系列技术，涵盖慢性硅探针植入装置的制备，到在富含线索的跑步机装置中监测位置场活动的全过程。通过组装和固定3D打印的塑料部件，构建出微型驱动装置和头帽。将硅探针安装在微型驱动装置上，进行清洁并涂覆染料。首先进行第一次手术，将头帽固定在小鼠颅骨上。在跑步机传送带表面制作并粘贴微小标记物。训练小鼠在头部固定状态下于跑步机上奔跑。随后进行第二次手术，将硅探针植入海马体，并记录宽带电生理信号。最后，回收硅探针并清洁，以便重复使用。在跑步机上对位置细胞活动的分析揭示了多种位置场机制，凸显了该方法的优势。
引言
硅探针在电生理记录中具有多项优势，包括其尖锐的外形设计可最大限度减少组织损伤，以及其密集排列的记录位点具有精确的布局1,2,3,4。它们已被用于研究不同物种（包括人类3,5,6）的多种神经系统，采用的方法也多种多样1,7。然而，由于成本较高、探针易损，以及缺乏适用于慢性实验的便捷方法，其重复使用仍相对有限8。近年来，3D打印技术的进步使得研究人员能够定制设计微型驱动装置和头板等设备，从而更方便地操作这些精密电极。首先，我们将介绍如何构建并使用我们为慢性植入硅探针而开发的一套工具14。
虽然位置细胞通常通过让动物在迷宫中自由奔跑来研究，但近年来也已在虚拟环境15和跑台装置9（图1A）中对其进行了研究。这些实验方法的优势在于可对动物进行头部固定，从而更便于使用双光子显微镜15、膜片钳16和光探针9,10,11等技术，同时还能更精确地控制动物行为和环境线索12。接下来，我们将介绍在跑台装置中训练小鼠并记录位置细胞活动的操作步骤。
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方案
所有所述方法均已获得韩国科学技术院动物护理与使用委员会的批准。
1. 微驱动装置和电极的准备
- 组装微型驱动装置。
- 使用高分辨率3D打印机打印微型驱动装置的各个部件（滑块、主体和外壳）14，确保部件无任何缺陷。
- 使用螺丝（规格000-120x1/4）将滑块固定在微型驱动装置主体上。
- 将一个螺母（规格000-120x5/64 Hex）焊接到螺丝的尖端。
- 顺时针旋转螺丝以使滑块上升，逆时针旋转则使其下降。
- 使用螺丝（规格000-120x1/4）将外壳固定到主体上。
- 将探针安装到微型驱动装置上。
- 将微型驱动装置固定在双目显微镜下，保持水平位置。
- 使用带橡胶垫的平口鳄鱼夹夹住硅探针的柔性电缆，同时用镊子小心地将探针从运输包装中取出。将鳄鱼夹固定在操纵器上。
- 通过操纵器将硅探针放置在微型驱动装置的滑块上，使其与运动方向平行。
- 滴加一滴牙科水泥（室温固化丙烯酸牙科修补材料）将探针固定在滑块上。若探针位置发生偏移，需进行调整。不推荐使用胶水，因其固化过快，难以重新调整电极位置。
- 使用牙科水泥将探针的连接器固定在C型支架（连接器支架）上。
- 清洁探针并标记染料。
- 将微型驱动装置/探针组件固定在探针清洁装置上。该装置配备两个小型旋转泡沫海绵（非无菌棉签），通过操纵器调节间隙。
- 用清洁剂浸湿海绵。
- 缓慢地在海绵之间上下移动探针，使其轻柔接触。在显微镜下监控清洁过程。
- 用蒸馏水冲洗探针，并将其浸入酒精中进行消毒。
- 使用泡沫棉签将Dil（脂溶性荧光染料）涂抹在探针柄部的背面。这将在后续阶段用于可视化探针柄在脑内的位置。
- 组装帽状结构。
- 使用3D打印机打印帽状结构的各个部件（头板、连接器支架和帽盖）14。这三个部件组合后形成一个密封的外壳。
- 将螺母（规格M2和00-90x1/4）插入头板的槽口中，并用胶水和牙科水泥固定。
- 将垫圈插入帽盖的槽口中，并用牙科水泥固定。
2. 头骨上固定帽子的手术
所有用于手术的器械均需预先通过高压灭菌法进行灭菌。在手术过程中若器械被污染需要重新灭菌，则使用干热珠灭菌装置进行处理。
- 将异氟烷浓度设为4%以开始麻醉。将小鼠放入麻醉舱中持续5分钟。
- 将小鼠固定于立体定位仪上。
- 将异氟烷浓度降低至1.5–2%。根据动物状态、呼吸频率和体温在手术过程中调整浓度20。
- 在小鼠眼睛上涂抹眼膏。
- 剃除头皮毛发，并使用消毒剂（碘伏）清洁动物头部。手术所有步骤均需保持无菌条件。
- 在头皮下注射布比卡因（1 mg/kg）。使用精细剪刀剪开并移除部分小鼠头顶部的皮肤，以暴露颅骨边缘。术中使用生理盐水和止血海绵清洁并控制出血。
- 使用刮除工具去除骨膜。
- 定位颅骨上的参考点21：前囟（bregma）、后囟（lambda）、冠状缝和矢状缝。沿矢状轴调整头部角度，使前囟和后囟处于同一水平高度。
- 在颅骨上钻两个孔（直径约0.5 mm），用于放置参考电极和接地电极。孔的位置应位于后囟后方约1 mm、外侧约1 mm处。
- 插入接地电极和参考电极（规格000-120x1/16微型不锈钢螺钉，通过导线连接至针式连接器）。
- 在颅骨上涂抹紫外光固化粘接剂牙本质活化剂，然后照射紫外光45–60秒。
- 在颅骨边缘涂布一层牙科水泥。避免将水泥沾到小鼠皮肤和毛发上。
- 将头固定板安装至立体定位操作臂并定位在颅骨上方。缓慢降低头固定板，直至其轻微接触颅骨，然后在与颅骨的接合处涂布牙科水泥。让牙科水泥固化15分钟。
- 撤除麻醉。将连接器固定座和保护帽安装到头固定板上。皮下注射酮洛芬（5 mg/kg）后，将小鼠放回笼中。
- 术后连续两天每日皮下注射酮洛芬（5 mg/kg），并密切观察任何疼痛迹象。小鼠通常在20–40分钟内从麻醉中苏醒。植入的头帽重量较轻（3.34 g），因此小鼠抬头、在迷宫中奔跑以及攀爬笼壁均无困难。
3. 行为训练
- 术后恢复7天后，开始每天给予1 mL的饮水限制。
- 制作跑步机传送带时，裁剪一块天鹅绒织物（5 cm × 1–2 m），使用热熔胶在其表面固定小型物体。将直立物体安装在传送带边缘，以避免干扰小鼠运动。
- 通过缝合传送带两端，将其固定在跑步机的滚轮上。
- 将小鼠头部固定于跑步机上，将头固定板上的两个螺丝插入头板的插槽并拧紧。
- 开始训练小鼠在头部固定状态下于跑步机上奔跑以获取饮水奖励。通过舔舐口给予饮水奖励。初始阶段，每次将小鼠置于跑步机上训练10分钟，每日进行3次。
- 当小鼠逐渐适应头部固定并开始驱动传送带运动（通常在约3天后），将训练时长逐步增加至30分钟。经过2–3周训练后，部分小鼠在30分钟内可完成超过100次试验（一次试验定义为传送带完整旋转一圈）。
- 选择行为表现最佳的小鼠进行记录实验。
4. 硅探针的植入
- 将小鼠进行麻醉。
- 通过固定头板将小鼠安装至立体定位仪上，并用生理盐水清洁颅骨表面。
- 找到立体定位标记点：前囟（bregma）、后囟（lambda）、冠状缝和矢状缝。测量至插入点的距离并做好标记。
- 小心钻骨，直至骨层变薄且呈半透明状。钻孔过程中持续用生理盐水湿润并清洁。
- 使用精密镊子小心去除变薄的颅骨及硬脑膜。始终保持脑表面湿润，用生理盐水覆盖。
- 将微驱动器/硅探针组件固定在立体定位操纵器上，将硅探针移至颅骨开窗部位正上方。将硅探针连接器支架拧紧固定于头板上。
- 连接记录放大器以及接地/参考电极。用铝箔包裹小鼠以屏蔽电磁噪声。启动记录系统，监测脑部电活动。
- 使用显微操纵器缓慢将硅探针插入脑组织。持续监测电信号、操纵器移动距离以及探针臂的位置（确保探针臂已进入脑内）。当探针进入皮层时可记录到神经元放电活动，而其下方的白质区域则相对静默。当探针臂触及海马锥体层时，神经元活动再次出现。此时，将硅探针回撤200 µm（次日可通过微驱动器将探针臂重新推进至锥体层）。
- 用骨蜡与石蜡油的混合物覆盖脑表面。
- 使用牙科水泥将微驱动器固定于头板上，静置15分钟使牙科水泥固化。随后将微驱动器从立体定位操纵器上卸下，并重新戴上保护帽。
- 将小鼠放回笼中，并皮下注射5 mg/kg的酮洛芬。观察是否有疼痛迹象。该手术创伤远小于初次手术，小鼠通常在苏醒后45分钟内即可恢复活动。但为确保硅探针在脑内稳定，仍需让小鼠充分恢复一整天。
5. 记录
- 将小鼠头部固定在跑步机上，取下帽盖。
- 连接记录放大器并开始记录。
- 在第一天，使用微型驱动装置将硅探针插入海马体的锥体层。螺丝每逆时针旋转一圈，探针臂将下移 200 µm。缓慢调整探针臂位置（每次约 20–50 µm），直至出现尖波振荡13和单细胞放电活动。
- 在随后的几天中，微调探针臂位置，并在小鼠于跑带跑步前等待约 1 小时，以记录海马体活动。为维持连续数天的良好记录信号质量，应移除小鼠笼内硬物及低矮顶盖，以尽量减少头帽碰撞硬物表面的可能性。
6. 回收探针
- 将小鼠进行麻醉。
- 通过固定头板将小鼠安装至立体定位仪上，并取下帽盖。
- 将立体定位操纵器移至微驱动装置正上方，将微驱动装置固定于操纵器上。从头板上拧下连接器支架，移除连接微驱动装置外壳与主体的螺丝。
- 在双目显微镜观察下，使用立体定位操纵器缓慢向上提起微驱动装置与硅探针的组装体，将外壳部分留在原位。
- 使用清洁装置清洁硅探针。
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结果
首先训练小鼠在一条两米长且无任何线索的跑带上奔跑（图1C）。在植入电极后，更换为另一条相同长度但带有三对线索的新跑带，安装于跑步机上，以产生以环境为中心的空间表征12,14。使用250通道记录系统（配备USB接口板的放大器板及定制的Labview接口）和植入CA1与CA3区的两个硅探针（图1A，4个分支，每分支8个记录位点）（图1B），以30,000 Hz的采样率记录宽带信号。通过高通滤波信号（0.8–5 kHz）上的阈值函数检测神经元放电单元。采用半自动的脉冲分类方法进行细胞分离15,16,17
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讨论
长期记录神经元活动对于理解神经过程（如海马体位置场）至关重要。我们的慢性硅探针植入方法与其他方法7,18,19,20的不同之处在于，实验结束时相对容易回收电极组件。虽然位置细胞通常在自由运动条件下进行研究，但跑步机装置不仅显著简化了实验设计和数据分析，还允许研究人员在动物轨迹高度重复且行为模式固定的情况下，在最简环境中深入探究位置场的机制12。此外，该装置比虚拟现实系统更易于构建，仅需3D打印的滚轮、一维运动传感器和一个微控制器即可实现。
稳定的放电位置场活动可以在多天内被记录，这是研究与学习相关的长期网络动态的重要前提。在这方面，应考虑一些问题。首先，硅探针周围脑组织退化和瘢痕形成的过程本身可能会引起活动模式的长期变化。因此，所有手术操作都必须谨慎进行，以尽量减少对脑组织和血管的...
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披露
作者无任何利益冲突需要披露。
致谢
本工作由韩国科学技术院机构项目（项目编号：2E26190 和 2E26170）以及人类前沿科学计划（RGY0089/2012）资助。
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材料
| 姓名 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
|---|---|---|---|
| 硅探针 | Neuronexus | Buzsabi32 | 记录电极 |
| 记录系统 | Intantech | RHD2132/RHD2000 | |
| 3D打印机 | Asiga | Pico Plus 27 | 用于微驱动装置的高分辨率打印机 |
| 3D打印机 | Stratasys | Mojo | 用于头帽组件的低分辨率打印机 |
| 立体定位仪 | Kopf | Model 963 | |
| 双目显微镜 | Leica | M60 | |
| 跑步机装置 | 我们自行制作 |
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