我们开发了一种用于普通狨猴的全皮层脑皮层电图阵列，该阵列连续覆盖了从枕极到颞极和额极的皮层几乎整个外侧表面。本方案描述了将该阵列慢性植入狨猴脑硬膜外腔的操作步骤。
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本文内容
摘要
摘要
皮层脑电图（ECoG）能够以高时空分辨率监测大脑皮层的电场电位。近年来，薄而柔韧的ECoG电极的发展使得大规模皮层活动的稳定记录成为可能。我们为普通狨猴开发了一种全皮层ECoG阵列，该阵列连续覆盖皮层半球几乎整个外侧表面，从枕极延伸至颞极和额极，可一次性捕捉全皮层的神经活动。本方案描述了将该阵列慢性植入狨猴硬膜外腔的手术流程。狨猴在ECoG记录方面具有两个优势：其一是其解剖结构（包括额叶、顶叶和颞叶复合体）与人类和猕猴具有同源性；其二是狨猴的大脑为平滑脑（无沟回），且含有大量在猕猴中较难通过ECoG接触的皮层复合体，这些区域在狨猴中直接暴露于脑表面。这些特征使得大多数皮层区域可被直接记录。该系统为研究全脑皮层信息处理提供了机会，其时间分辨率可达亚毫秒级，空间分辨率可达毫米级。
引言
认知功能需要广泛脑网络中神经元集合的协调活动，尤其是人类高度发达的新皮层，被认为参与了高级认知行为。然而，新皮层如何实现此类认知行为仍是神经科学领域尚未解决的问题。近年来，薄而柔性的皮层脑电图（ECoG）电极的发展使得能够稳定记录大规模皮层活动1。Fujii 及其同事为猕猴开发了一种全皮层 ECoG 阵列2,3。该阵列连续覆盖几乎整个外侧皮层，从枕极延伸至颞极和额极，可一次性捕捉全皮层的神经活动。我们进一步将该系统改进并应用于普通狨猴4,5，这是一种体型小、可进行遗传操作的新世界猴6,7。相比其他物种，该动物具有多种优势。该物种的视觉、听觉、躯体感觉、运动及额叶皮层区域此前已被绘制，并报道其基本同源结构与人类和猕猴相应区域相似8,9,10,11,
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方案
本方案已在6只普通狨猴上实施（4只雄性，2只雌性；体重 = 320–470 g；年龄 = 14–53个月）。所有操作均遵循美国国立卫生研究院《实验动物护理与使用指南》的建议。本方案经理化学研究所伦理委员会批准（编号：H28-2-221(3)）。所有手术均在麻醉下进行，并尽一切努力减少所用动物数量及其不适。
1. 准备
- 获取每个个体大脑的结构性磁共振成像（MRI）。该图像将用于通过与狨猴脑图谱和计算机断层扫描（CT）配准来确定电极位置。
- 皮层脑电图（ECoG）阵列的制备：准备一个定制的多通道ECoG阵列（图1A）。一个96通道的ECoG阵列由两个分别含有32和64个电极的片层组成。为了适应个体间脑大小的差异，ECoG阵列设计有可调节的柔性臂，该臂可根据个体脑形覆盖颞极区域。将参考电极置于与ECoG电极相反的方向，接地电极则置于与ECoG电极相同的方向。
- 将ECoG阵列与连接器外壳（图1B）组装，并使用丙烯酸胶密封连接器的缝隙（图1C），以防止手术过程中液体渗入。使用环氧乙烷气体对阵列进行灭菌处理。
- 准备并灭菌所有手术器械。
注意： 所使用器....
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结果
全皮层ECoG阵列可同时记录单个半脑全部区域的神经元活动。图4展示了清醒狨猴多个听觉区域的听觉诱发电位（AEP）示例。ECoG记录在被动聆听条件下进行。每只狨猴接受由20种不同频率的随机纯音组成的听觉刺激。随后，我们通过对与纯音起始时间对齐的ECoG信号进行平均，计算出AEP。在低级和高级听觉区域观察到不同的波形，表明本ECoG阵列的空间分辨率能够捕捉不同皮层区域中差异化的信息处理过程。
图1：ECoG阵列的制备。（A）32通道和.......
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讨论
为确保成功植入，应在手术前后为动物提供充足的营养。较短的手术时间对于优化动物恢复也至关重要。准备工作应至少在手术前一天完成。为了缩短手术时间，建议此前使用因其他实验目的而处死的动物进行开颅手术训练及电极阵列植入。 表1展示了本方案时间进程的一个示例。
我们根据具体情况对麻醉程序和术后处理进行了调整。在本视频方案中，动物通过气管插管接受异氟烷和氧气的混合气体进行麻醉和维持。异氟烷可替换为七氟烷，气管插管也可替换为面罩。在其他情况下，我们采用肌肉注射氯胺酮与美托咪啶混合液的方式对动物进行麻醉。此时，动物首先以布托啡诺（0.2 mg/kg，肌内注射）进行初始镇静，随后通过注射氯胺酮（30 mg/kg，肌内注射）与美托咪啶（0.35 mg/kg，肌内注射）的混合液实现外科麻醉。
由于ECoG直接记录电场的变化，其时间分辨率受限于记录系统。我们记录系统的最高时间分辨率为30 kHz。通常我们以1 kHz的采样率采集信号，发现这已足以提取感觉/运动信息。
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披露
MK 正在为其在本方案中使用的全皮层 ECoG 阵列申请专利（专利号：2018-210975）。
致谢
感谢Yuri Shinomoto在动物护理、训练及清醒状态记录方面提供的帮助。ECoG阵列由Cir-Tech公司（www.cir-tech.co.jp）制造。此外，感谢Editage（www.editage.jp）在英文语言润色方面的支持。本研究得到了疾病研究用综合神经技术脑图谱计划（Brain/MINDS）、日本医疗研究开发机构（AMED）（JP18dm0207001）、国立自然科学研究所（NINS）新科学倡议中心（CNSI）脑科学项目（BS291004，M.K.），以及日本促进科学基金（JSPS）科研费（JP17H06034，M.K.）的资助。
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材料
| 姓名 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
|---|---|---|---|
| 烧杯（100 cc） | Outocrave | ||
| 棉球 | Outocrave | ||
| 吸收三角 | 精细科学工具公司（Fine Science Tools Inc.） | 18105-03 | Outocrave |
| 细头棉签 | 清十字有限公司（Clean Cross Co., Ltd.） | HUBY340 BB-013 | Outocrave |
| 纱布 | Outocrave | ||
| 巾钳 | Outocrave | ||
| 手术刀柄 | Outocrave | ||
| 持针器 | Outocrave | ||
| 虹膜剪 | Outocrave | ||
| 微型蚊式钳 | Outocrave | ||
| Adson 钳，1×2 齿 | Outocrave | ||
| 骨刮匙 | Outocrave | ||
| 微型刮匙 | 精细科学工具公司（Fine Science Tools Inc.） | 10091-12 | Outocrave |
| 持针器，12.5 cm，弯曲，光滑钳口 | 世界精密仪器公司（World Precision Instruments） | 14132 | Outocrave |
| 血管扩张器，12 cm，0.1 mm 尖端 | 精细科学工具公司（Fine Science Tools Inc.） | 18131-12 | Outocrave |
| 血管扩张器，12 cm，0.2 mm 尖端 | 精细科学工具公司（Fine Science Tools Inc.） | 18132-12 | Outocrave |
| 细尖咬骨钳 | 精细科学工具公司（Fine Science Tools Inc.） | 16221-14 | Outocrave |
| 立体定位仪操作臂 | 气体灭菌 | ||
| 操作臂扳手 | 气体灭菌 | ||
| 连接器用自制夹具 | 气体灭菌 | ||
| 牙科丙烯酸硅胶杯 | 气体灭菌 | ||
| 硅胶杯支架 | 气体灭菌 | ||
| 画笔 | 气体灭菌 | ||
| 铅笔 | 气体灭菌 | ||
| 微型螺钉，1.4 mm × 2.0 mm | 日本化学螺钉有限公司（Nippon Chemical Screw Co., Ltd.） | PEEK/MPH-M1.4-L2 | 气体灭菌 |
| 微型螺钉用螺丝刀 | 气体灭菌 | ||
| 钻机用微型电机手柄 | 气体灭菌 | ||
| 不锈钢钻头，1.4 mm | 气体灭菌 | ||
| 不锈钢钻头，1.0 mm | 气体灭菌 | ||
| 钻头，1.2 mm | 气体灭菌 | ||
| 橡胶吹气球 | 气体灭菌 |
参考文献
- Fukushima, M., Chao, Z. C., Fujii, N. Studying brain functions with mesoscopic measurements: Advances in electrocorticography for non-human primates. Current Opinion in Neurobiology. 32, 124-131 (2015).
- Nagasaka, Y., Shimoda, K., Fujii, N.
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重印与许可
