本方案描述了用于记录局部场电位的定制微电极阵列的构建方法 体内 同时从多个脑结构中记录。
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局部场电位微电极的构建 体内 同时记录多个脑区的神经活动
* These authors contributed equally
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摘要
摘要
研究人员通常需要同时记录多个脑区的局部场电位（LFPs）。要实现对多个目标脑区的同时记录，需要采用不同的微电极设计，但市面上可获得的微电极阵列往往无法提供足够的灵活性。本文所述方案详细介绍了可定制微电极阵列的简易设计方法，用于同时在不同深度记录多个脑区的局部场电位。文中以构建双侧皮层、纹状体、腹外侧丘脑及黑质微电极为例进行说明。该设计方法具有高度灵活性，研究人员可通过计算立体定位坐标，快速调整构造，从而针对自由活动或麻醉小鼠的不同脑区定制微电极，用于记录任意目标结构的局部场电位。微电极组件的制备仅需常规工具和耗材。这些可定制的微电极阵列使研究者能够灵活设计任意构型的微电极阵列，以追踪神经元活动，实现毫秒级分辨率的局部场电位记录。
引言
局部场电位（LFPs）是指从大脑细胞外空间记录到的电势。它们由神经元外部的离子浓度失衡产生，反映了一个小范围局部神经元群体的活动，因而能够比宏观尺度的脑电图（EEG）记录更精确地监测特定脑区的活动1。据估计，相距1 mm的LFP微电极所记录的信号来自完全不同的神经元群体。尽管EEG信号会受到脑组织、脑脊液、颅骨、肌肉和皮肤的滤过影响，LFP信号则是局部神经元活动的可靠指标1。
研究人员通常需要同时记录多个脑区的局部场电位（LFP），但市面上可购得的微电极阵列往往无法提供足够的灵活性。本文所述方案介绍了一种完全可定制、易于制作的微电极，可用于在不同深度同时记录任意目标脑区的局部场电位。尽管局部场电位已被广泛用于记录特定脑区的神经元活动2,3,4,5,6,7,8,9，但当前这种易于定制的设计使得从多个表层或深层脑区同时记录LFP成为可能11,12。通过确定目标脑区的立体定位坐标并据此组装电极，该方案还可进一步修改以构建任意所需的微电极阵列。这些微电极具有10 kHz的采样率和60–70 kΩ的电阻（长度为2 cm），使我们能够以毫秒级精度记录局部场电位。随后，信号可通过16通道放大器进行放大，滤波（高通1 Hz，低通5 kHz），并实现数字化。
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方案
本研究已获得弗吉尼亚大学动物护理与使用委员会批准。实验使用了两种性别的C57Bl/6小鼠（7-12周龄）。动物饲养环境保持12小时光照/12小时黑暗循环，并自由获取 随意摄取 食物和水的获取
1. 微电极的制备
- 制作微电极时，使用 50 µm（直径）的 diamel 涂层镍铬合金丝（参见 材料表）。将金属丝的一端用胶带固定在平台背面，并将金属丝在平台最近的旋钮上缠绕三圈（图 1A，C）。
注：此处使用的是带有两个旋钮的亚克力平台（2 x 5 英寸），但任何平台均可使用。- 将金属丝拉伸至最远的第二个旋钮，在两个旋钮之间形成两个环。再将金属丝在第一个旋钮上缠绕三圈以固定位置，并再次用胶带将末端固定在平台背面。
注：金属丝分离后（步骤 1.2–1.3.1），每侧必须各有两个金属丝（共四个金属丝，图 1B）。
- 将金属丝拉伸至最远的第二个旋钮，在两个旋钮之间形成两个环。再将金属丝在第一个旋钮上缠绕三圈以固定位置，并再次用胶带将末端固定在平台背面。
- 将张力条置于金属丝下方，并用胶带缠绕固定（粘性面朝上）（图 1C）。
注：张力条使用三角形亚克力片制成，外层缠绕胶带（粘性面朝外以固定金属丝）。张力条外部胶带的粘性面可固定金属丝并调节其间距。张力条应距离旋钮约 2.5 cm，且金属丝不得松动。 - 在显微镜下使用精细镊子，在金属丝之间制造 3 mm 或 4.5 mm 的间隙（金属丝间 3 mm 间隙用于制作大脑皮层（Ctx）–腹外侧丘脑核（VL）微电极；4.5 mm 间隙用于制作纹状体（Str）–黑质（SNR）微电极）（图 1B）。
- 若显微镜使用放大倍率，需计算并校正放大倍率与金属丝实际间距之间的差异。
注：若微电极用于本实验未涉及的其他脑区，金属丝间距需根据目标结构的立体定位距离进行调整。图 2B 展示了金属丝的排列方式示例；相应地，其他结构的立体定位坐标也需进行调整。
- 若显微镜使用放大倍率，需计算并校正放大倍率与金属丝实际间距之间的差异。
- 切割四块厚度约为 0.5 mm 的塑料片，尺寸约为 6 mm（宽）× 3 mm（高）（图 1C）。
注：只要厚度为 0.5 mm，任何塑料片均可使用；此处使用的是出售针脚时附带的方形管（针脚，参见 材料表）。若使用不同厚度的塑料片，请相应增减数量以匹配所需的立体定位坐标。 - 在塑料片上涂抹胶水（参见 材料表），并将塑料片放置在金属丝上（图 1C）。将塑料片置于距金属丝中点约 1.0 cm 处，即距离张力条 1.0 cm 的位置。用棉签清除多余的瞬间胶。
- 待瞬间胶完全干燥后，使用精细剪刀按照 图 1C 所示顺序剪断金属丝。
- 使用市售套件（参见 材料表）切割四段 7 mm 长的玻璃管，并按 图 2A 所示将电极金属丝插入玻璃管中。
- 将 VL 和 SNR 电极对插入玻璃管中。
注：仅需将深部结构的电极金属丝插入玻璃管以支持手术植入。切勿将皮层电极插入玻璃管中。
- 将 VL 和 SNR 电极对插入玻璃管中。
- 在玻璃管底部涂抹胶水，将其与塑料片粘合。静置一段时间直至胶水完全干燥。
- 使用手术刀按照 表 1 所示位置切割玻璃管和金属丝；确保微电极长度正确。若微电极靶向不同脑区，应根据所需立体定位坐标调整切割距离。
图1：微电极构建的示意图。（A）平台上导线的布置，导线下方设有张力杆。（B）导线之间的间隙。（C）四块塑料片被粘接到导线上。请点击此处查看该图的放大版本。
| Ctx | Str | VL | SNR | |
| AP（前/后） | 2.2 | 1.2 | -1.3 | -3.3 |
| ML（内侧/外侧） | 1.8 | 1.5 | 1 | 1.5 |
| DV（背/腹） | 0.5 | 3.5 | 4 | 4.75 |
| 电极长度 | 4 | 4.75 | 5.25 | 6 |
表1：脑立体定位植入坐标及微电极尺寸。
2. 微电极阵列组装
- 使用胶水按目标区域的预期顺序连接塑料部件。图 2B、C 展示了皮层、丘脑、纹状体和黑质电极的一个示例。
- 将 Ctx-VL 电极对朝下放置（电极导线一侧必须朝下），并在其上方用胶水固定两块尺寸为 6 mm × 3 mm 的空白塑料片。
- 在上述三块塑料片的上方，放置第二对 Ctx-VL 电极对，电极朝上（使用显微镜并确保 VL 电极对齐）。
注意：双侧电极的对齐（此处指左右两侧 VL 电极的对齐）对于准确靶向双侧结构至关重要。 - 使用胶水将 SNR 电极置于顶部，使 SNR 电极距离 VL 电极为 2.0 mm，距离皮层电极约 5.0 mm（SNR 电极导线必须朝上）。
- 对另一侧重复步骤 2.1.3（SNR 电极导线必须朝向微电极阵列外侧）。
- 在塑料部件周围涂抹环氧树脂，以将电极牢固粘合。注意避免将环氧树脂涂到电极上。
- 取一根粗导线，在一端弯成一个环。将该环浸入环氧树脂溶液中，然后将其放置在塑料部件上，确保粗导线平放（图 2D），以便在后续步骤中可用作手柄。等待电极完全干燥。
- 将导线剪至 2 cm 长，如 图 2E 所示。
图2：微电极的构建与尺寸。（A）如图1C所示，将导线用剪刀切断后形成四对电极（两对皮层-丘脑腹外侧核（Ctx-VL）电极和两对纹状体-黑质网状部（Str-SNR）电极）。将深部结构电极（VL和SNR）插入玻璃管中，并用胶水将其基部固定在塑料基座上（红点所示）。（B）顶视图：将（A）中的电极对逐层粘合，形成微电极核心。红线表示胶合线。（C）（B）的前侧面视图。（D）将粗导线连接至微电极上。（E）按图示方式对导线进行分组，将绝缘端刮除并剪成2 cm长。请点击此处查看该图的放大版本。
3. 微电极与头戴设备的连接
- 按照图2E所示对导线进行分组，并用手术刀刮除末端1 mm的绝缘层。
- 按照图3A所示弯曲皮层电极。按照图3B所示将导线分开。使用精细镊子，在每根导线末端制作一个环状结构（图3B）。
- 用止血钳夹住一个10针插头（见材料表），使用棉签的木制端在插针上涂抹极少量助焊剂（图3C）。注意不要将助焊剂涂到插针外部，以防止插针之间发生短路。
- 使用棉签的木制端将助焊剂涂抹到导线环上。
- 按照图3C所示将导线环焊接到10针插头上。焊接完成后，将插头干燥，以防止插针之间发生短路。
- 取一根细导线（0.005–0.008 英寸）作为参考电极和接地电极，剥除一端的塑料绝缘层，在另一端制作一个环状结构。
- 将参考电极和接地电极裸露的一端分别焊接到对应的插针上（图3A、C）。
- 握住较粗的导线（图2D），在微电极周围涂抹颅骨修补水泥，特别是在导线与插针连接处。避免水泥接触到电极的实际末端。
- 待水泥干燥后，在玻璃管底部、纹状体微电极导线以及整个电极基部涂抹环氧树脂。避免环氧树脂接触到电极的实际末端。等待电极完全干燥。
- 电极制备完成。使用牙科钻头根据所需立体定位坐标在小鼠颅骨上钻孔，并如图3D所示将插头植入：将带有微电极的插头缓慢下降，使微电极朝向颅骨并插入相应孔位。植入过程中可将插头固定在立体定位仪机械臂上以提供支撑。
图3：微电极植入。（A）皮层电极按所示方式弯曲。（B）将导线分开并在末端形成环状。（C）将焊剂（红点处）和成环导线焊接到10针连接头上，确保每根导线连接至对应的针脚。（D）植入连接头以记录局部场电位（LFPs）。请点击此处查看该图的放大版本。
4. 记录后标记电极位置
- 在局部场电位（LFP）记录结束后，通过在电极尖端施加电流产生损毁灶以确认电极在目标脑区的正确位置，并在灌注小鼠前等待30分钟。
注意：用于确认电极尖端位置的损毁参数设置：单次脉冲串，40 µA，0.75 ms单相方波脉冲，50 Hz，持续30秒。 - 使用异氟烷对小鼠进行麻醉（直至小鼠失去意识），随后经心脏灌注0.1 M磷酸钠缓冲液中含4%多聚甲醛（PFA）的固定液10。在冷冻切片机（见材料表）上将脑组织切成40 µm厚的切片，并用DAPI（PBS中0.02%）染色。通过观察电极尖端损毁灶的存在情况来确认电极的准确位置，如图4B、C所示。
注意：异氟烷的使用浓度需遵循各机构的具体指导规范。
5. 测量电极电阻
- 使用多量程欧姆表（参见 材料表）测量电极的电阻，并检查电极之间是否存在短路。将电阻量程设置为 R × 10,000，表示指针每单位偏转对应 1 kΩ 的电阻值。长度为 2 cm 的电极电阻应为 60–70 kΩ。
- 通过取十个独立插针（参见 材料表）来定制耳机装置。将每个插针与一根细的多股铜导线焊接，并接入电缆。
- 将焊接好的插针及其对应的电缆末端压入10针双排对接插座（匹配插座）中。再将对接插座的开口端插针压入LFP耳机装置中。通过这种方式，每个LFP电极在组件中都有对应的电缆导线。
- 将每个待测电阻的LFP电极尖端浸入0.9% NaCl生理盐水溶液（血液中的NaCl浓度）。将对应于该LFP电极的电缆导线末端连接至欧姆表的正极端。
- 使用一根低电阻（约100 Ω）导线，一端置于盐水中，另一端保持开放。将该低电阻导线的开放端连接至欧姆表指针的接地端。
注：此连接方式可完成电路，促使欧姆表指针发生偏转。
- 使用一根低电阻（约100 Ω）导线，一端置于盐水中，另一端保持开放。将该低电阻导线的开放端连接至欧姆表指针的接地端。
- 确保耳机装置上任意两个电极之间不存在电气连接。检查成对LFP电极之间的电气绝缘性（接地端：一根电缆对应一个电极；正极端：另一根电缆对应另一个电极）。若在此情况下观察到任何指针偏转，则应弃用这些电极。
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结果
在本研究中，使用LFP微电极绘制癫痫发作在基底神经节中的传播路径11。同时记录右侧运动前皮层（癫痫灶所在位置）以及左侧丘脑腹外侧核（VL）、纹状体和黑质网状部（SNR）的局部场电位（LFP）（图4）。癫痫发作起始定义为电压轨迹偏离基线两倍以上（图4A，红色箭头）。功率谱图11显示了所记录LFP的频率分布（图4A）。可在各脑区之间以毫秒级精度比较癫痫发作的起始潜伏期（红色条形）（图4A）。在记录结束时施加一个电流脉冲，以标记并确认电极尖端的位置，从而形成一个损伤灶（图4B、C）。
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讨论
历史上，微电极阵列被广泛用于记录特定目标脑区的神经元活动2,3,4,5,6,7,8,9,13然而，我们简易的微电极设计可实现对多个结构的同步记录11,12。在此处， 以皮层、丘脑、纹状体和黑质微电极的构建为例进行说明。研究者可根据所需靶向结构，通过计算相应的立体定位距离并相应调整构建参数，对微电极设计进行修改。
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披露
作者无任何利益冲突需要披露。
致谢
本工作由美国国立卫生研究院（RO1 NS120945、R37NS119012，授予JK）和弗吉尼亚大学脑科学研究所资助。
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材料
| 姓名 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
|---|---|---|---|
| 16通道放大器 | A-M Systems | Model 3600 | 放大器 |
| 颅骨成形术水泥 | Coltene | Perm Reeline/Repair Resin Type II Class I Shade - Clear | 用于固定微电极的水泥 |
| 冷冻切片机 | Precisionary | CF-6100 | 用于切片脑组织 |
| 镀二胺的镍铬合金丝 | Johnson Matthey Inc. | 50 µm | 微电极导线 |
| Dremel | Dremel | 300系列 | 用于在小鼠颅骨上钻孔 |
| 环氧树脂 | CEC Corp | C-POXY 5 | 快速固化粘合剂 |
| 止血钳 | 任意品牌 | 用于夹持头戴装置 | |
| 镊子 | 任意品牌 | 用于夹持微电极 | |
| 光学显微镜 | Nikon | SMZ-10 | 用于观察对齐情况 |
| 欧姆表 | 任意品牌 | 用于测量电阻 | |
| 插针（插头和配套插座） | Mill-Max | 互连件，833系列，2 mm网格鸥翼型表面贴装插头和插座 | 用于连接微电极 |
| Polymicro套管套装 | Neuralynx | 内径 100 ± 04 µm，外径 164 ± 06 µm，涂层厚度 12 µm | 玻璃管 |
| 脉冲刺激器 | A-M Systems | Model 2100 | 用于在记录结束时标记微电极位置 |
| 剪刀 | 任意品牌 | 用于剪切微电极 | |
| 超级胶水 | Gorilla | 粘合剂 | |
| 粗导线 0.008 英寸 – 0.011 英寸 | A-M Systems | 791900 | 用于固定微电极阵列的粗导线 |
| 细导线 0.005 英寸 - 0.008 英寸 | A-M Systems | 791400 | 用于参考电极和接地的细导线 |
参考文献
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