本方案描述了一种混合式微型驱动阵列的构建方法,该阵列可在自由活动的小鼠两个脑区中植入九根可独立调节的四极电极和一根可调节的光-硅探针。同时展示了一种安全回收并重复利用光-硅探针以用于多种用途的方法。
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本方案描述了一种混合式微型驱动阵列的构建方法,该阵列可在自由活动的小鼠两个脑区中植入九根可独立调节的四极电极和一根可调节的光-硅探针。同时展示了一种安全回收并重复利用光-硅探针以用于多种用途的方法。
多脑区神经记录可为理解多个脑区之间精细时间尺度上的相互作用提供关键信息。然而,传统的微型驱动器设计通常仅允许使用一种类型的电极来记录单个或多个脑区的活动,限制了单神经元或深度谱图记录的获取效率,也常常限制了将电极记录与光遗传学工具相结合以靶向特定神经通路或细胞类型的活动。本文介绍了一种用于自由活动小鼠的混合式微型驱动器阵列,旨在提高记录效率,并详细描述了该阵列的制作方法及其重复使用方式。当前设计在自由活动的小鼠中同时将九根四极电极和一根光-硅探针植入两个不同的脑区。四极电极和光-硅探针可在脑的背腹轴方向上独立调节,以最大化获取神经元放电活动和振荡活动的效率。该微型驱动器阵列还集成了光源系统,可实现光遗传学操控,用于研究长距离神经环路的脑区特异性或细胞类型特异性反应与功能。此外,光-硅探针可在每次实验后安全回收并重复使用。由于该微型驱动器阵列包含3D打印部件,其设计可轻松修改以适应不同实验需求。本文首先描述微型驱动器阵列的设计,以及如何将光纤连接至硅探针以用于光遗传学实验,随后介绍四极电极束的制备及阵列在小鼠脑内的植入过程。结合光遗传学刺激,对局部场电位和单神经元放电活动的记录结果也验证了该微型驱动器阵列系统在自由活动小鼠中的可行性。
通过研究不同脑区之间如何动态相互作用,了解神经元活动如何支持学习和记忆等认知过程至关重要。为了阐明认知任务中神经活动的动态特性,研究人员已利用微驱动阵列在自由活动的动物中开展了大规模的细胞外电生理记录1,2,3,4。在过去二十年中,已开发出多种类型的微驱动阵列,用于将电极植入大鼠5,6,7,8和小鼠9,10,11,12的多个脑区。然而,目前的微驱动设计通常不允许同时使用多种探针类型,迫使研究人员只能选择一种具有特定优势和局限性的电极类型。例如,四极电极阵列适用于神经元密集的脑区(如背侧海马CA1区)1,13,而硅探针则在研究解剖连接时具有更优的空间几何分布特性14,15。
四极电极和硅探针常用于体内慢性记录,各有其优缺点。与单电极相比,四极电极已被证明在单细胞信号分离方面具有显著优势16,17,同时具备成本低和机械刚性强的优点。当与微型驱动装置结合使用时,四极电极还能获得更高的单细胞活动记录数量8,18,19,20。增加同时记录的神经元数量对于理解神经环路功能至关重要21。例如,研究功能上异质性的小细胞群(如与时间相关22或奖励编码23的细胞)需要记录大量细胞。而要提高动作电位序列的解码质量,则需要更高数量级的细胞记录数据13,24,25。
然而,四极电极在记录空间分布较广的细胞(如大脑皮层或丘脑中的细胞)时存在劣势。与四极电极相比,硅探针能够提供局部场电位(LFPs)和放电活动在局部结构内的空间分布及其相互作用14,26。多叉硅探针进一步增加了记录位点的数量,允许跨单个或相邻结构进行记录27。然而,这类阵列在电极位点的定位灵活性方面不如四极电极。此外,在高密度探针中需要复杂的峰电位分选算法,以提取邻近通道动作电位的信息,从而重现四极电极所获取的数据28,29,30。因此,硅探针获得的单细胞单位总体数量通常少于四极电极。此外,硅探针还因其易损性和高成本而处于劣势。因此,选择使用四极电极还是硅探针取决于记录的目的,即优先考虑获得高数量的单细胞单位,还是优先实现记录位点的空间分布分析。
除了记录神经活动外,光遗传学操控已成为神经科学中研究特定细胞类型和/或通路如何参与神经环路功能的强有力工具之一13,31,32,33。然而,光遗传学实验在微驱动阵列设计中需要额外考虑如何将光纤连接器与刺激光源相连接34,35,36。通常,连接光纤需要施加相对较大力量,可能导致脑内探针发生机械位移。因此,将可植入式光学纤维与传统微驱动阵列整合并非易事。
基于上述原因,研究人员需要根据记录目的优化电极类型的选择,或植入光纤。例如,四极电极(tetrodes)可用于在海马体中获得更高的单细胞记录数量1,13,而硅探针则用于研究皮层区域(如内侧内嗅皮层(MEC))的层状深度分布37。目前已有报道用于大鼠的同时植入四极电极和硅探针的微型驱动装置5,11。然而,由于微型驱动装置的重量、小鼠头部可用空间有限,以及设计驱动装置以兼容不同类型探针所需的空间限制,在小鼠中同时植入多个四极电极和硅探针极具挑战性。尽管可以不使用微型驱动装置直接植入硅探针,但该方法无法调节探针位置,且会降低硅探针回收的成功率12,38。此外,光遗传学实验对微型驱动阵列的设计提出了额外要求。本方案展示了如何构建和植入一种微型驱动阵列,用于在自由活动的小鼠中进行慢性记录,该装置可同时植入九根独立可调的四极电极和一根可调的光-硅探针。该微型驱动阵列还支持光遗传学实验,并有助于硅探针的回收。
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本文所述所有方法均已获得德克萨斯大学西南医学中心机构动物护理与使用委员会(IACUC)的批准。
1. 微驱动阵列部件的准备
2. 光学-硅探针制备
3. 线圈电极制备
注意:本实验步骤与先前发表的文献8,19,20,39类似。
4. 安装屏蔽锥
5. 植入手术
注意:本实验步骤改编自先前已发表的文献18,39,41,适用于双位点植入。为确保动物术后恢复较快,进行微型驱动装置植入时,应保证动物体重超过 25 g。
6. 回收硅探针(图 4D)
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微型驱动阵列在5天内构建完成。微型驱动装置制备的时间线见表2。使用该微型驱动装置,将九根四极电极和一根硅探针分别植入小鼠的海马CA1区和内侧内嗅皮层(MEC)[21周龄、体重29 g的雄性pOxr1-Cre转基因小鼠(C57BL/6背景)]。该转基因小鼠在MEC第三层锥体神经元中表达Cre。在电极植入前10周,向小鼠MEC区域注射200 nL的AAV5-DIO-ChR2-YFP病毒(滴度:7.7 × 1012 gc/mL)。局部场电位(LFP)通过低通滤波器(1–500 Hz)记录,动作电位单元则通过高通滤波器(0.8–5 kHz)检测。光刺激(λ = 450 nm)采用脉宽1 ms、光强10.6 mW(在光纤连接端测得)的参数进行。四极电极记录的参考电极通过专用的四极电极丝植入白质中。硅探针记录的参考电极设为探针的顶部通道。
四极电极调整后,在线性轨道(图5A)和开放场(图5B)中测试了动物的行为表现。在这...
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本方案展示了如何构建和植入一种混合式微型驱动阵列,可在自由活动的小鼠中利用独立可调的四极电极和硅探针同时记录两个脑区的神经活动。本方案还展示了光遗传学实验以及实验后硅探针的回收方法。尽管此前已有可调节硅探针33或光遗传-硅探针36在小鼠中植入的报道,但本方案在同时植入可调四极电极阵列与光遗传-硅探针方面具有明显优势,可灵活选择植入探针的类型。根据实验目的的不同,可更换不同类型的植入探针,例如多叉探针27,44或超高密度Neuropixels探针21,45。在3D物体设计阶段,可根据需要轻松修改植入的坐标和角度7。例如,在涉及记忆相关脑区的学习任务中,可实现双位点甚至三位点的同步记录,这些脑区包括海马体46、内嗅皮层<...
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作者无任何利益冲突需要披露。
本工作部分得到了日本促进科学协会海外研究奖学金(HO)、捐赠学者项目(TK)、人类前沿科学计划(TK)、脑研究基金会(TK)以及理工学院科技人才引进与留任计划(TK)和脑 & 行为研究基金会(TK),以及住友基金会研究资助(JY)、NARSAD青年研究者研究资助(JY)。我们感谢W. Marks在稿件撰写过程中提供的宝贵意见和建议。
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| 姓名 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
|---|---|---|---|
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| #0-80 螺母 | Small Parts | B00DGB7CT2 | 用于固定光纤插芯夹具的黄铜螺母 |
| #0-80 螺钉 | Small Parts | B000FMZ57G | 用于探针连接器安装座、光纤插芯夹具和屏蔽锥的黄铜机用螺钉 |
| 22 号聚醚醚酮管 | Small Parts | SLPT-22-24 | 用于连接至穿梭装置,内径为 0.025 英寸 |
| 23 号不锈钢管 | Small Parts | HTX-23R | 用于制作四极记录电极 |
| 23 号不锈钢丝 | Small Parts | HTX-23R-24-10 | 用于制作 L 形支撑丝 |
| 26 号不锈钢丝 | Small Parts | GWX-0200 | 用于制作导向柱 |
| 30 号不锈钢丝 | Small Parts | HTX-30R | 用于制作四极记录电极 |
| 3D CAD 软件包 | Dassault Systèmes | SolidWorks 2003 | |
| 3D 打印机 | FormLab | Form2 | |
| 5.5 mil 聚酰亚胺绝缘管 | HPC Medical | 72113900001-012 | |
| 铝箔胶带 | Tyco | Tyco Adhesives 617022 Aluminum Foil Tape | 用于替代屏蔽锥 |
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| 牙科模型树脂 | FormLab | RS-F2-DMBE-02 | |
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| 电接口板 | Neuralynx | EIB-36-Narrow | |
| 环氧树脂 | Devcon | GLU-735.90 | 5 分钟快干环氧胶 |
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| 硅探针 | Neuronexus | A1x32-6mm-50-177 | 图 4C |
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