我们已证明，在大鼠运动皮层植入微电极会导致立即且持续的运动功能障碍。本文所述方法概述了一种微电极植入手术以及三种啮齿类动物行为学任务，旨在阐明由于微电极植入对运动皮层造成损伤后，精细运动或粗大运动功能可能发生的改变。
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摘要
摘要
植入大脑的医疗器械具有巨大的应用潜力。作为脑机接口（BMI）系统的一部分，皮层内微电极已展现出记录单个或少量神经元动作电位的能力。这些记录到的信号已成功用于使患者与计算机、机械肢体或其自身肢体进行交互或控制 。然而，先前的动物研究表明，脑内微电极的植入不仅会损伤周围组织，还可能导致功能缺陷。本文将讨论一系列行为学测试方法，用于量化在大鼠运动皮层植入皮层内微电极后可能出现的运动功能障碍。开放场地网格测试、梯子穿越测试和握力测试等方法，可为微电极植入所引发的潜在并发症提供有价值的信息。行为学测试结果将与终点组织病理学分析相关联，从而进一步揭示该操作对邻近组织的病理后果及其影响。
引言
皮层内微电极最初用于绘制大脑神经回路图谱，现已发展成为一种有价值的工具，可用于检测运动意图，并由此产生功能性输出1。所检测到的功能性输出可帮助脊髓损伤、脑性瘫痪、肌萎缩侧索硬化症（ALS）或其他运动功能受限疾病的患者控制计算机光标2,3或机械臂4,5,6，或恢复其自身失能肢体的功能7。因此，皮层内微电极技术已成为一个前景广阔且快速发展的研究领域8。
由于该领域已取得显著成果，目前已有临床研究正在开展，以改进并更深入地理解脑机接口（BMI）技术的可能性5,9,10。通过实现与大脑神经元之间充分的通信潜力，人们认为其康复应用前景无限8。尽管人们对皮层内微电极技术的未来持高度乐观态度，但众所周知，微电极最终会....
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方案
所有实验程序和动物护理操作均经路易斯·斯托克斯克利夫兰退伍军人事务医疗中心机构动物护理和使用委员会批准，并遵循其规定执行。
注意：为了帮助研究人员了解为何选择刺伤损伤模型作为对照，建议参考 Potter et al.21 的相关研究工作。
1. 微电极植入手术操作
- 术前动物准备
- 使用异氟烷（2 - 4%）在诱导室中对动物进行麻醉。在麻醉期间，使用生命体征监测系统持续监测动物的心率和血氧含量。
- 将动物转移至鼻罩以维持麻醉。皮下注射头孢类抗生素（例如头孢唑啉，25 mg/kg）和非甾体类抗炎药（例如卡洛芬，5 mg/kg），分别用于预防感染和控制疼痛。
- 在动物眼睛上充分涂抹眼用软膏，防止角膜干燥。
- 使用小型动物指甲剪修剪脚趾甲，防止动物在伤口愈合期间抓挠缝线。注意不要剪得过短，以免引起疼痛和出血。
- 使用电动剃毛器彻底剃除动物从耳后至两眼之间的头部毛发。
- 在动物头部切口区域皮下注射布比卡因（0.3 mL 的 0.125% 布比卡因，由原液稀释而成），以提供局部镇痛。
- 将动物固定在立体定位仪上，使用耳杆固定头部以防止手术过程中移动。在动物身下放置循环水加....
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结果
采用本文所述方法，按照既定操作流程39,40,41,42完成运动皮层的微电极植入手术，随后进行开放场地网格测试以评估粗大运动功能，并通过梯子行走和抓力测试评估精细运动功能27。对植入电极的动物，术后每周进行两次运动功能测试，持续16周，以未接受手术且未植入电极的动物作为对照组。所有术后评分按周取平均值，并归一化至每只动物术前的基线评分。所有误差均以均值标准误（SEM）表示。
为评估动物的大运动功能和应激行为，使其在开放旷场网格中自由奔跑3分钟（图1A）。该测试.......
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讨论
本方案已用于在啮齿类动物脑损伤模型中有效且可重复地评估精细运动和粗大运动功能障碍。此外，该方法还可实现精细运动行为与运动皮层微电极植入后组织学结果之间的相关性分析。这些方法易于操作、成本低廉，并可根据研究人员的具体需求进行调整。更重要的是，行为学测试不会给动物带来显著应激或疼痛；相反，研究人员发现动物似乎逐渐喜欢上了测试过程中的锻炼和奖励。既往研究表明，运动皮层损伤可导致运动、记忆及功能损害44,45。然而，尽管已有这些认识，关于微电极植入运动皮层所引起的功能影响仍缺乏足够信息27，而这一问题可能对患者的临床预后产生不利影响。
在整个实验方案中，无论是手术操作还是行为学测试，均可进行多种修改。本方案概述了在动物大脑运动皮层中影响前爪功能的区域植入微电极的操作流程。该流程可轻松调整以适应不同类型的植入物，例如用于电刺激的电极46或用于药物递送的套管
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披露
作者无任何利益冲突需要披露。
致谢
本研究部分得到了美国退伍军人事务部康复研究与发展服务局的功绩评审奖 #B1495-R（Capadona）以及总统科学家与工程师早期职业奖（PECASE，Capadona）的资助。此外，本工作还部分得到了国防部助理部长卫生事务办公室通过同行评审医学研究计划（项目编号：W81XWH-15-1-0608）的支持。本内容不代表美国退伍军人事务部或美国政府的观点。作者谨此感谢凯斯西储大学（CWRU）啮齿类动物行为核心实验室的Dr. Hiroyuki Arakawa在设计和测试啮齿类动物行为实验方案方面提供的指导。作者还感谢凯斯西储大学机械与航空航天工程系的James Drake和Kevin Talbot在啮齿类动物梯子实验装置的设计与制造过程中提供的帮助。
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材料
| 姓名 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
|---|---|---|---|
| 雄性 Sprague Dawley 大鼠，体重 201-225 克 | Charles River | CD | |
| Compac5 麻醉系统 | Vetequip | 901812 | |
| 电动剪毛器 | Wahl | 9918-6171 | |
| 立体定位仪 | David Kopf Instruments | 1760 | |
| Gaymar 加热水垫及水泵 | Braintree Scientific Inc | TP-700 | |
| Vetbond 组织粘合剂 | 3M | 07-805-5031 | |
| 牙科钻头 | Pearson Dental | O60-0045 | |
| 硬脑膜剥离针 | Fine Science Tools | 10064-14 | |
| 硅胶柄微电极 | 克利夫兰退伍军人医疗中心自制 | N/A | |
| KwikCast 硅胶弹性体 | World Precision Instruments | KWIK-CAST | |
| Teets 牙科水泥 | A-M Systems | 525000 | |
| 高清网络摄像头 c920 | Logitec | 960-000764 | |
| 握力计 | Harvard Apparatus | 565084 | |
| Minitab 17 统计分析软件 | Minitab Inc | ||
| 旷场网格实验装置 | 凯斯西储大学自制 | N/A | |
| 梯子行走实验装置 | 凯斯西储大学自制 | N/A | |
| 兔抗大鼠 IgG 抗体 | Bio-Rad | 618501 |
参考文献
- Donoghue, J. P. Bridging the brain to the world: a perspective on neural interface systems. Neuron. 60 (3), 511-521 (2008).
- McFarland, D. J., Sarnacki, W. A., Wolpaw, J. R. Electroencephalographic (EEG) control of three-dimensional movement. Journal o....
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