联合灌注与刺激结合快速扫描循环伏安法（CIS-FSCV）评估腹侧被盖区受体对时相性多巴胺的调控

摘要

本实验方案的目的是直接操控腹侧被盖区受体，以研究其对次秒级多巴胺释放的贡献。

摘要

从中脑腹侧被盖区（VTA）到伏隔核的阶段性多巴胺（DA）释放，在奖赏信息处理和强化学习中起着关键作用。了解多种神经元输入如何调控VTA中的阶段性DA释放，有助于更全面地揭示控制奖赏处理和强化学习的神经环路机制。本文介绍了一种结合VTA内套管给予药理学激动剂和拮抗剂与刺激诱发的阶段性DA释放（即联合给药与刺激，CIS）的方法，并通过活体快速扫描循环伏安法（FSCV）进行检测。在麻醉大鼠中应用CIS-FSCV方法时，可通过在VTA植入带有套管的双极电极进行电刺激，同时在伏隔核核心区域记录，从而诱发阶段性DA反应。通过直接在刺激部位灌注药理学激动剂或拮抗剂，可研究VTA特定受体在驱动阶段性DA释放中的作用。CIS-FSCV的主要优势在于能够在活体条件下研究VTA受体功能，从而在体外研究的基础上进一步推进。

引言

从中脑腹侧被盖区（VTA）到伏隔核（NAc）的时相性多巴胺（DA）释放，在与奖赏相关的行为中起着至关重要的作用。VTA中的DA神经元会从紧张性放电（3–8 Hz）转变为簇状放电（>14 Hz）¹，从而在NAc中引发时相性DA释放。VTA表达多种胞体-树突受体，这些受体在调控从紧张性放电向簇状放电转换过程中具有关键作用^2,3,4,5。明确哪些受体及其相应的输入通路调控时相性DA释放，将有助于加深我们对奖赏相关神经环路组织方式的理解。本文所述方法——结合灌注与刺激的快速扫描循环伏安法（CIS-FSCV）——旨在快速且可靠地评估VTA受体在驱动时相性DA释放中的功能作用。

联合输注与刺激（CIS）是指通过药理学手段调控一组神经元（此处为腹侧被盖区，VTA）上的受体，同时刺激这些神经元，以研究受体功能。在麻醉大鼠中，我们通过电刺激VTA，在伏隔核（NAc）核心区诱发显著的时相性多巴胺（DA）信号（1–2 µM），并通过快速扫描循环伏安法（FSCV）进行检测。在刺激位点输注药理学药物（如受体激动剂或拮抗剂），可通过观察诱发的时相性DA释放变化来评估VTA受体的功能。FSCV是一种电化学方法，具有较高的空间分辨率（50–100 µm）和时间分辨率（10 Hz），非常适合检测与奖赏相关的时相性DA事件^6,7。该分辨率优于其他体内神经化学检测方法，例如微透析。因此，CIS与FSCV结合使用，非常适合评估VTA受体对时相性多巴胺释放的调控作用。

研究腹侧被盖区（VTA）受体功能的一种常用方法是结合多种电生理学技术，以探讨这些受体如何改变神经元的放电频率^1,8。这类研究对于理解哪些受体参与调控多巴胺（DA）神经元激活后的放电活动具有重要价值。然而，这些研究仅能间接推测在轴突末梢下游可能发生的事件（例如神经递质的释放）。原位循环伏安法（CIS-FSCV）在电生理研究的基础上进一步揭示了VTA爆发性放电所导致的时相性多巴胺释放如何受到VTA树突和胞体上受体的调控。因此，CIS-FSCV非常适用于深化这些电生理学研究。例如，烟碱型受体的激活可诱导VTA产生爆发性放电⁹，而通过在麻醉大鼠中应用CIS-FSCV技术，已证明VTA内烟碱型乙酰胆碱受体（nAChR）的激活同样能够调控伏隔核（NAc）中的时相性多巴胺释放^10,11。

相位性多巴胺（DA）调节的机制研究也常通过脑片制备结合药物浴应用来进行。这些研究通常关注多巴胺末梢突触前对相位性DA释放的调控，因为神经元胞体通常已在制备脑片时被去除¹²。此类脑片制备方法在研究突触前受体对多巴胺末梢的影响方面具有重要价值，而原位快速扫描循环伏安法（CIS-FSCV）则更适合研究VTA中多巴胺神经元的胞体-树突受体效应以及投射至VTA的突触前输入。这一区别至关重要，因为VTA内的胞体-树突受体激活可能产生与伏隔核（NAc）突触前受体激活不同的效应。事实上，阻断NAc中多巴胺能突触前的烟碱型乙酰胆碱受体（nAChRs）可在簇状放电期间增强相位性多巴胺释放¹³，而在VTA的胞体-树突nAChRs上则呈现相反效应^10,11。

CIS-FSCV 是研究腹侧被盖区（VTA）受体调节DA 时相性释放能力的理想方法。重要的是，该方法可在完整的活体大鼠中进行，无论是麻醉状态还是自由活动状态。该方法适用于急性研究，以考察受体在基础状态下的功能^10,14，也适用于长期研究，以评估药物暴露或行为干预后受体功能的改变^11,15。

方案

所有实验均按照美国国立卫生研究院（NIH）《实验动物护理和使用指南》进行，并经伊丽莎白敦学院和耶鲁大学机构动物护理和使用委员会（IACUC）批准。本方案专门针对使用CIS-FSCV技术的麻醉大鼠实验准备。

1. 术前准备

1. 电极溶液的制备
   1. 配制电极填充液：制备含有140 mM氯化钾的4 M醋酸钾溶液¹⁶。
2. 电极的制备
   1. 使用真空负压，将一根T-650型碳纤维（直径7 µm）插入硼硅酸盐玻璃毛细管中（长度 = 100 mm，外径 = 1.0 mm，内径 = 0.5 mm）。
   2. 将碳纤维置入玻璃毛细管后，将毛细管放入垂直电极拉制仪中，加热元件应大致位于毛细管中部。将加热器设定为55，磁体保持关闭状态。
   3. 拉制完成后，小心抬高上部毛细管夹持器，使电极尖端不再被加热元件包围。
   4. 使用锋利的剪刀剪断仍连接两段毛细管的碳纤维，从而得到两个独立的碳纤维微电极。
   5. 在光学显微镜下，用锋利的手术刀小心地切割暴露的碳纤维，使其伸出玻璃末端约75–100 µm。
   6. 在光学显微镜下检查电极，确保毛细管表面无裂纹；同时确认碳纤维从毛细管引出处的密封良好，无明显痕迹且无裂纹。
      注意：良好的密封有助于降低记录过程中的噪声。更详细的方案请参见已发表的研究^17,18,19。
3. 参比电极的制备
   1. 将一根金针焊接到一段5 cm长的银丝上。
   2. 将阳极连接至金属回形针或其他导体，阴极连接至金针，在回形针和银丝浸入0.1 M HCl溶液的同时施加电压（约2 V）。
   3. 当银丝表面出现白色涂层（AgCl）时，停止施加电压。
4. 电极植入前的准备
   1. 将一根金针焊接到一根细的绝缘导线上（长约10 cm，<0.50 mm直径）。
   2. 从金针相反的一端去除约5 cm的绝缘层。
   3. 用电极溶液填充电极约一半体积。
   4. 将去除了绝缘层的导线插入电极内部。
      注意：导线应与电极内部的碳纤维接触良好。

2. 电极植入

1. 对成年雄性Sprague Dawley大鼠（250−450 g）进行腹腔注射，注射剂量为1.5 g/kg（或1 mL/kg体积），使用0.5 g/mL的乌拉坦（urethane）无菌生理盐水溶液。初始乌拉坦剂量建议为1.0−1.2 g/kg。若在注射乌拉坦20分钟后，动物仍对有害刺激（如尾部夹捏）有反应，则追加0.3−0.5 g/kg乌拉坦，使总剂量达到1.5 g/kg。
   注意：配制0.5 g/mL乌拉坦溶液时，将10 g乌拉坦加入10 g（约10 mL）生理盐水中。乌拉坦为致癌物，操作时需格外小心。乌拉坦是一种重要的麻醉剂，与其他麻醉剂（如氯胺酮/赛拉嗪或水合氯醛）不同，它不会改变多巴胺水平^20,21。
2. 当动物已深度麻醉且对有害刺激（例如脚趾夹捏）无反应时，将其固定于立体定位仪中。 为大鼠双眼涂抹眼用润滑剂。
   注意：本实验为非存活性手术，但仍建议采用良好的无菌技术。
3. 使用两步法清洁大鼠头皮（即先用碘伏溶液擦洗，再用70%乙醇擦洗；每种擦洗重复3个循环）。
4. 使用灭菌的尖头镊子和手术剪剪除头皮组织。去除足够多的组织，以便为后续所述的各种植入操作留出空间。
5. 使用灭菌的棉签轻轻清洁颅骨表面，然后滴加2−3滴3%过氧化氢，以帮助识别λ点和前囟点（bregma）。
6. 使用立体定位钻或手持钻（1.0 mm，转速约20,000 rpm），在前囟点前方2.5 mm、外侧3.5 mm处钻一个直径为1.5 mm的孔。将一颗螺钉（外径1.59 mm，长3.2 mm）部分植入该孔中（约植入一半深度，直至其牢固固定）。建议在钻孔过程中使用无菌生理盐水冲洗，以防止热损伤。
7. 为植入参考电极，在左半脑的前囟点前方1.5 mm、外侧3.5 mm处钻一个直径为1.0 mm的孔。
8. 手动将参考导线插入该孔约2 mm深，同时将参考导线缠绕在已植入螺钉的头部下方。
9. 完全旋入螺钉，从而将参考电极固定到位。
10. 在右半脑的前囟点前方1.2 mm、外侧1.4 mm处钻一个直径为1.5 mm的孔。
11. 使用镊子小心去除硬脑膜。
12. 为植入刺激电极，在前囟点后方5.2 mm、外侧1.0 mm处钻一个方形孔（前后方向2 mm，内外方向5 mm），中心位于该位置。
13. 利用立体定位仪的机械臂，将双极刺激电极/导管套管降低至硬脑膜下方5 mm处。若在植入电极过程中发生出血，应使用无菌棉签和纱布控制出血。
    注意：本方法中使用的双极刺激电极已预装导管套管（材料表）。当配套的内导管完全插入导管套管时，其末端应与双极刺激电极的两个叉状电极齐平。这可使内导管正好位于刺激器两个叉状电极之间（间距约1 mm）。类似的操作流程在其他文献中已有描述¹⁴。
14. 利用立体定位仪的机械臂，将碳纤维微电极降低至硬脑膜下方4 mm处。该位置位于纹状体最背侧的部分。
15. 将参考导线和碳纤维微电极连接至恒电位仪。
16. 施加三角波电压（-0.4−1.3 V，扫描速率为400 V/s），以60 Hz频率持续15分钟，随后以10 Hz频率持续10分钟。
    注意：通常情况下，当向脑内碳纤维微电极施加电压波形时，碳纤维表面会生成氧化基团。在开始记录前，必须使该反应达到平衡状态，否则将产生显著的信号漂移¹⁹。以较高频率（60 Hz）循环电极可加速碳纤维表面达到平衡。

3. 优化碳纤维及刺激电极/引导套管的位置

1. 将刺激器设置为产生双相电波形，频率为60 Hz，24个脉冲，电流为300 µA，脉冲宽度为2 ms/相。
2. 从硬脑膜下5 mm开始，以0.2 mm为增量逐步降低刺激器，直至达到7.8 mm深度。在每个深度处对VTA进行刺激。
   注意：在较背侧的深度（5−6 mm），刺激大脑通常（约80%的情况下）会引起大鼠胡须抽动。随着深度增加，胡须抽动将停止，该现象通常发生在硬脑膜下7.5−8.2 mm之间。当胡须抽动停止时，刺激电极已接近或到达VTA。但并非每只大鼠都会出现此现象，胡须无抽动不应被视为双极刺激电极/灌注套管位置错误的标志。此外，并非所有麻醉剂（例如异氟烷）都会引发胡须抽动。
3. 继续降低双极刺激电极/引导套管，直到刺激能够引起伏隔核背侧纹状体部位碳纤维微电极处出现时相性多巴胺（DA）释放。
   注意：即使双极电极已植入VTA，背侧纹状体中的DA释放也并不总是发生；但在VTA刺激时若能观察到背侧纹状体中有DA释放，通常提示在伏隔核（NAc）核心区域也能获得良好的信号。
4. 降低碳纤维微电极，使其至少达到硬脑膜下6.0 mm深度。此位置为NAc核心最背侧的部分。
5. 刺激VTA，并记录DA峰值的峰值幅度。
6. 在产生最大DA释放的位置，调整碳纤维微电极的高度（降低或升高）以优化信号。
7. 确保DA反应的峰值表现为在0.6 V处清晰的氧化峰和在-0.2 V处的还原峰。这些峰是多巴胺的特征性信号。

4. 联合灌注与刺激的FSCV记录

注意：图1展示了VTA微量注射前后记录的时间线。

1. 在优化碳纤维和刺激电极/引导套管位置后，进行约20−30分钟的刺激。
   注意：根据当前的刺激参数，每次刺激后至少间隔3分钟才能进行下一次刺激，以允许囊泡重新装载²²。
2. 在获得稳定基线（<五次刺激中变异幅度小于20%）后，手动将内套管缓慢插入已预装在双极刺激器中的引导套管内。
3. 再采集2−3次基线记录，以确认内套管插入本身未引起诱发电信号的变化。在某些情况下，插入或拔出内套管可能对腹侧被盖区（VTA）造成损伤。如果在此基线期间信号发生显著变化（>20%），则需额外采集3−4次记录，直至基线重新稳定。
4. 使用注射泵和微量注射器，在2分钟内向VTA内灌注0.5 µL溶液（例如0.9%生理盐水、N-甲基-D-天冬氨酸[NMDA]、(2R)-氨基-5-磷酸戊酸[AP5]）。
5. 灌注结束后，内套管需在原位保留至少1分钟后再拔出。
   注意：某些药物可能需要根据其药代动力学特性延长内套管保留时间，过早拔出可能导致药物沿内套管反流。如有疑虑，可在整个记录期间保持内套管留在引导套管内。否则，可在1分钟间隔结束后开始记录。
6. 此后每3分钟继续记录一次，以检测灌注后的效应。
   注意：若灌注的是对照溶液且未观察到效应，可考虑进行第二次灌注¹⁰。若因插入内套管或灌注生理盐水导致多巴胺（DA）释放改变，信号通常在30分钟内恢复至基线水平。

5. 电极定位的组织学验证

1. 实验结束时，使用碳纤维微电极在记录位点处制造一个小的损伤。
   1. 如果需要在实验后保留电极用于校准，则使用一根置于玻璃毛细管内的钨丝，使其尖端超出毛细管约 100 µm。此时，将记录电极从脑组织中提起，替换为钨电极，并将其下降至相同的背腹向坐标。
      注意：也可使用碳纤维电极对脑组织进行损伤，这能更准确地反映记录位点的位置；但实验者将无法再对这些电极进行校准。
2. 为损伤记录位点，使用电源施加电压。从 1 V 开始，每隔 10 秒增加 1 V，直至达到 10 V。
3. 通过腹腔注射致死剂量的戊巴比妥（150 mg/kg）处死动物。
4. 使用 4% 甲醛溶液对大鼠进行灌注。
5. 使用锋利的断头器将头部从大鼠身上分离。
6. 使用咬骨钳去除脑组织周围的结缔组织和颅骨，并轻轻将脑组织从残留组织中分离出来。
7. 将脑组织在 4% 甲醛中保存 1 天，然后转移至 30% 蔗糖溶液中。
   注意：观察损伤位点并不必须进行 4% 甲醛灌注，但作为最佳实践，该步骤有助于更准确地重建损伤位点。
8. 使用冷冻切片机将脑组织切成 30 µm 的切片。
9. 将切片贴附于载玻片上，并加盖盖玻片。
10. 使用光学显微镜标示碳纤维微电极损伤位置以及双极刺激器/输注套管的位置。

结果

采用CIS-FSCV技术研究了腹侧被盖区N-甲基-D-天冬氨酸受体（NMDAR）、烟碱型乙酰胆碱受体（nAChRs）和毒蕈碱型乙酰胆碱受体（mAChRs）在驱动伏隔核核心区一过性多巴胺（DA）释放中的功能。图2展示了阴性对照实验的代表性数据，即在输注0.9%生理盐水前（基线）和输注后9分钟（生理盐水）的结果。图2包含一个彩色图谱，其中纵轴表示电位，横轴表示时间，电流（以伪彩色表示）作为z轴变量，同时还包括电流-时间曲线（IvT）以及在诱发反应峰值处采集的循环伏安图，以证明所检测的分析物为多巴胺（DA）。正如预期，生理盐水输注并未改变刺激诱发的一过性多巴胺释放。

为了证明CIS-FSCV在使用激动剂和拮抗剂时可产生双向效应，我们比较了NMDAR激动剂NMDA（500 ng；图3...

讨论

CIS-FSCV 为研究VTA受体机制在短暂性多巴胺（DA）释放中的作用提供了独特的机会。为确保获得有效的记录，有两个关键步骤。首先，必须获得稳定的基线记录，且诱发的DA信号漂移应尽可能小。提高建立稳定记录可能性的一个重要方法是确保电极在60 Hz和10 Hz下均有充分的循环时间（通常在60 Hz下循环15分钟，在10 Hz下循环10分钟）。在碳纤维电极循环过程中，碳纤维本身会发生氧化并被蚀刻，导致表面积减小，但同时产生新的表面以利于多巴胺吸附²³。这可能会提高对DA的检测灵敏度。因此，在实验过程中，观察到刺激诱发的多巴胺释放随时间略有增加，可能是由于蚀刻程度增加所致，而非任何药理学干预的结果。此外，在初次麻醉后的90至120分钟内开始记录，有助于在较长时间内获得更稳定的记录。值得注意的是，当大鼠接近麻醉致死状态时，诱发的DA释放通常会缓慢下降。

该操作的第二个关键步骤是确保输注套管被轻柔地插入双极刺激电极中。若在插入内套管时施加过大的压力，可能会导致立体定位仪的臂杆发生移动，从而引起多巴胺信号出现人为的升高或降低，因为刺激部位可能已...

材料

本文使用的材料清单

姓名	公司	目录编号	评论
电极填充液/耗材
微量移液器	World Precision Instruments	MF286-5 (28 gauge)
乙酸钾	Sigma	236497-100G
氯化钾	Sigma	P3911-25G
电极耗材
碳纤维	Thornel	T650
电极拉制仪	Narishige International	PE-22	注：也可使用水平拉制仪
玻璃毛细管	A-M systems	626000
电极用绝缘导线	Weico Wire and Cable Incorporated	UL 1423	长度：10 cm；直径：0.4 mm；需定制；绝缘材料应覆盖导线5 cm
显微镜（用于观察和切割电极）	Fischer Scientific	M3700
插针	Phoenix Enterprises	HWS1646	用于焊接到绝缘电极导线和参比电极上；连接至前置放大器
橡皮泥	Alcolin	23922-1003	用于在切割碳纤维时固定电极
手术刀片	World Precision Instruments	500239	用于将碳纤维切割至适当长度
银丝	Sigma	327026-4G
FSCV 硬件/软件
法拉第屏蔽笼	U-Line	H-3618 (36" x 24" x 42")
恒电位仪	北卡罗来纳大学电子设施
刺激电极	PlasticsOne	MS303/2-A/SPC	订购时，请要求底座下方切割22 mm
TarHeel HDCV 软件	北卡罗来纳大学教堂山分校	-	https://chem.unc.edu/critcl-main/criticl-electronics/criticl-electronics-hardware/ 获取订购信息
UEI 接线盒	北卡罗来纳大学电子设施		https://chem.unc.edu/critcl-main/criticl-electronics/criticl-electronics-hardware/ 获取订购信息
UEI 电源	北卡罗来纳大学电子设施		https://chem.unc.edu/critcl-main/criticl-electronics/criticl-electronics-hardware/ 获取订购信息
刺激器硬件
Neurolog 刺激隔离器	Digitimer Ltd.	DS4	Neurolog 800A
输注/刺激耗材
输注泵	New Era 注射泵	NE-300
内插管	PlasticsOne	C315I/SPC INTERNAL 33GA
微升注射器	Hamilton	80308
导管	PlasticsOne	C313CT/ PKG TUBING 023 X 050 PE50
手术耗材
插管固定器	Kopf 仪器公司	1776 P-1
棉签	Vitality Medical	806
电极固定器	Kopf 仪器公司	1770
加热垫	Kent Scientific	RT-0501
聚维酮碘	Vitality Medical	29906-004
螺钉	Stoelting	骨锚螺钉/每包100个	外径1.59 mm，长3.2 mm
镀氯化银的银丝参比电极	InVivo Metric	E255A
方纱布	Vitality Medical	441408
立体定位仪	Kopf 仪器公司	型号 902（双臂杆）
组织学耗材
福尔马林	Sigma	1004960700
电源	BK Precision	9110
蔗糖	Sigma	80497
钨微电极	MicroProbes	WE30030.5A3
输注用药
((2R)-氨基-5-磷酸戊酸	Sigma Aldrich	A5282
N-甲基-D-天冬氨酸	Sigma Aldrich	M3262
盐酸美加明（M9020-5mg）	Sigma Aldrich	M9020
氢溴酸东莨菪碱（S0929-1g）	Sigma Aldrich	S0929