本方案概述了使用定制设计的记录装置和电极来记录小鼠海马和前额叶皮层局部场电位，并研究信息流向的方法。
本文内容
摘要
摘要
记录局部场电位（LFPs）的技术是一种用于测量局部神经元群体电活动的电生理学方法。该技术是认知研究中的关键工具，尤其适用于海马体和前额叶皮层等脑区。对这些脑区进行双部位LFP记录具有特殊意义，因为它能够用于探索不同脑区之间的信号通信。然而，相关记录方法鲜有详细描述，且大多数商用记录设备要么价格昂贵，要么缺乏适应特定实验设计的灵活性。本研究提供了一套完整的实验方案，用于在小鼠海马体和前额叶皮层中进行双电极LFP记录，以研究抗精神病药物和钾通道调节剂对这两个脑区LFP特性的影响。该技术可测量各脑区内的功率谱以及两个脑区之间的相干性。此外，本研究还开发了一种低成本、定制设计的记录装置用于此类实验。总之，该实验方案能够在不同脑区以高信噪比记录神经信号，有助于深入探究大脑内部的跨区域信息交流。
引言
局部场电位（LFPs）是指从细胞外空间记录到的电活动，反映了局部一群神经元的集体活动。其频率范围广泛，从1 Hz的慢波到100 Hz或200 Hz的快速振荡不等。特定的频率波段已与学习、记忆和决策等认知功能相关联1,4。LFP特性的改变已被用作多种神经系统疾病（包括痴呆症和精神分裂症）的生物标志物3,4。分析LFP记录可为这些疾病的潜在病理机制及可能的治疗策略提供有价值的见解。
双极局部场电位（LFP）记录是一种用于测量两个特定脑区内部及之间局部电活动的技术。该技术为研究不同脑区内部及相互之间的复杂神经动态和信号传递提供了重要机会。先前的研究表明，检测单个脑区神经特性的改变可能较为复杂，但脑区间皮层通信的变化则可观测到5,6。因此，采用双极LFP记录为解决这一问题提供了一种强有力的方法。
海马-前额叶连接在调节认知功能中起着关键作用，其功能障碍与多种神经系统疾病相关7,8。对这些脑区进行双电极记录可提供有关这些相互作用的信息。然而，目前关于在这些区域之间进行双电极局部场电位（LFP）记录的方法学信息十分有限。此外， commercially available recording devices 通常价格昂贵，且难以适应特定的实验设计。传统的 LFP 记录方法是使用屏蔽电缆将记录设备与植入动物脑内的电极相连接。然而，这种方法容易受到运动伪迹和环境噪声的影响，从而影响记录信号的质量和可靠性。
本方案描述了一种在小鼠海马和前额叶皮层进行双电极局部场电位（LFP）记录的全面操作流程，使用一种低成本、自行设计的前置放大器，可直接安装在动物头部。这些方法使研究人员能够研究两个独立脑区内的区域特异性振荡模式，并探索这些脑区之间的信息交换与功能连接。
方案
本研究经墨尔本大学弗洛里动物伦理委员会（编号：22-025UM）批准，符合澳大利亚科学用途动物护理与使用规范。本研究使用从澳大利亚动物资源中心获得的 C57BL/6 雄性小鼠（8 周龄）。
1. 头戴装置的设计与制备
注意：头戴式PCB板是一种紧凑的14 mm × 12 mm四层板，设计用于直接放置在动物头部。该电路板采用商用放大器芯片（见材料表），所有设计文件和Gerber文件均可在线获取（GitHub链接： https://github.com/dechuansun/Intan-headstage/tree/main/pcbway）。
- 向制造商提供以下规格：板厚：0.6 mm；最小线宽/线距：4 mil；最小孔径：0.2 mm。
- 在PCB组装过程中，遵循以下顺序：
- 使用设定为350 °C的热风枪将放大器芯片焊接到电路板上。
- 焊接无源元件。
- 焊接SPI连接器和电极连接器（参见材料表）。
- 在显微镜下检查焊点质量。使用环氧树脂固定SPI连接器以增强稳定性。
- 使用第三方记录软件和控制板（参见材料表）进行信号采集。详细操作说明请参考软件用户指南。
- 设计的前置放大器支持8个通道。在软件中启用通道8、9、12、13、20、21、22和23进行记录。
2. 电极制备
- 根据不同的电极类型，将PFA涂层钨丝（参见材料表）切割成特定长度：前额叶皮层电极（12 mm）、海马电极（10 mm）和参考电极（6 mm）。
- 将黄铜管（参见材料表）切成3 mm长的段。
- 使用打火机去除每根导线末端2 mm的涂层，然后将电极导线牢固地焊接到黄铜管上。黄铜管的内径为0.45 mm，外径为0.60 mm。
- 对于参考电极，将一个M1.2不锈钢螺钉（参见材料表）焊接到电极上。在螺钉上涂抹以磷酸为基础的助焊剂以增强焊接效果。焊接完成后，用酒精清洁螺钉。
注意：焊接过程中应佩戴手套以进行防护。
3. 手术步骤
- 在麻醉舱中使用3%异氟烷和1 L/min的氧气流对小鼠进行麻醉。
- 将麻醉后的小鼠置于加热垫上，并固定于立体定位仪中（参见材料表）。
- 将维持麻醉的异氟烷浓度调整为2.5–3%，并将氧气流速降低至500 mL/min。通过夹捏脚趾检查，确认动物是否仍处于深度麻醉状态。
- 皮下注射卡洛芬（0.5 mg/kg），并涂抹眼膏以保护眼睛。
- 使用聚维酮碘和80%乙醇对小鼠头部进行剃毛和消毒。
- 沿头皮正中线做8 mm切口，清除切口区域的结缔组织。
- 使用过氧化氢清洁颅骨表面，注意避免接触周围皮肤。
- 调整前囟（bregma）和后囟（lambda）标志点至同一水平面，以确保电极放置准确（前囟和后囟分别为矢状缝与冠状缝、人字缝的交点）。
- 在指定坐标处钻孔，用于放置参考/接地电极、固定螺钉（使用0.9 mm钻头）和活动电极（使用0.3 mm钻头）。
- 将自制电极（步骤2）连接至立体定位仪臂，并确保其与脑组织垂直。
- 将电极植入海马CA1区（AP - 1.8 mm，ML - 1.3 mm，DV - 1.4 mm）。
注：AP，前后方向；ML，内外侧方向；DV，背腹方向。 - 在前额叶皮层重复电极植入（AP - 2.0 mm，ML - 0.3 mm，DV - 1.7 mm）。
- 使用市售的高强度粘合剂和牙科水泥固定电极（参见材料表）。
- 植入两枚1.2 mm固定螺钉（AP - 1.8 mm，ML -1.6 mm），以防止移位。
- 将参考/接地电极置于直接接触硬脑膜的位置，位于后囟标志点后方2 mm、单侧2 mm处。
- 将电极的黄铜管端连接至多通道插座连接器（参见材料表），并将接地电极置于中间位置。
- 在中间引脚的外部使用0.8 mm热缩管进行绝缘。
- 使用粘合剂和牙科水泥固定电极、固定螺钉和连接器。
4. 术后护理
- 为缓解术后疼痛，根据疼痛评估情况，以5-10 mg/kg剂量皮下注射卡洛芬，每12-24小时一次，持续三天。
- 在开始任何记录或实验操作前，给予动物一周的恢复期。
5. 记录步骤
- 每天两次，每次15分钟，连续三天对动物进行抓取操作。
- 用手轻轻握住小鼠，避免施加过大压力。
- 每天将头级板放置于动物头部，持续30分钟，连续三天。
- 实验当天，将动物置于记录室内适应环境30分钟。
- 将动物置于法拉第笼内的小型记录室中，以减少外部电干扰。连接定制的记录用前置放大器。
- 打开记录软件，选择 2.00 kHz 的采样率。通过选中各个通道并按下相应按键，关闭除通道 13 和 20 之外的所有通道 空格键.
- 在 硬件带宽窗口，将下限带宽设置为 2 Hz 以及上带宽至 100 Hz.
- 在 软件滤波窗口，调节低通滤波器至 100 Hz 高通滤波器 2 Hz.
- 通过点击选择存储路径 选择文件名，然后点击 记录.
- 每次记录开始时，先进行10分钟的适应期，随后进行15分钟的基线脑电图记录。
- 基线记录完成后，给予药物 通过 腹腔注射后立即继续记录额外30分钟。
注意：有关所用药物的详细信息，请参见结果部分。
结果
本研究结果展示了多种药物对四组C57BL/6雄性小鼠局部场电位（LFPs）特性的影响（每组n = 8；年龄：8周；体重：24.0 ± 0.42 g）。所测试的药物包括抗精神病药氯氮平、钾通道调节剂4-氨基吡啶（4-AP）和瑞替加滨，以及对照溶剂生理盐水。
如图1所示，将小鼠置于一个小型记录腔室中，并使用定制设计的前置放大器从海马（HIP）和前额叶皮层（PFC）采集局部场电位（LFPs）。由于本研究主要关注theta和gamma频段的分析，所记录信号首先在2–100 Hz频率范围内进行初始带通滤波，随后以2000 Hz采样率进行采样。接着将信号分割为多个2 s时长的片段。任何显示明显运动伪迹的片段均被识别并排除在后续分析之外。采用基于多锥体谱估计的分析方法9，测量HIP和PFC中LFP的功率谱以及HIP-PFC间的相干性。该分析使用五个Slepian锥体，时间带宽积设为3，以实现最优的谱集中度。采用1 s滑动窗和100 ms步长，生成时频谱图及HIP-PFC相干性的时间进程。
如图2和图3所示，生理盐水给药对HIP和PFC局部场电位（LFP）的功率谱以及HIP-PFC相干性均未产生任何可辨别的影响。瑞替加滨和氯氮平均表现出对HIP和PFC中伽马频段（30-100 Hz）功率的明显降低，以及对HIP-PFC伽马频段相干性的降低。相比之下，4-AP则表现出相反的效果，其特征是HIP和PFC中伽马频段功率增强，同时HIP与PFC之间的伽马频段相干性增加。
图1：实验装置示意图。在海马体（HIP）和前额叶皮层（PFC）植入电极，用于记录局部场电位。将动物置于一个小型记录舱内，并将定制设计的头戴装置连接到电极连接器上。每次记录会话均以10分钟的基线期开始，随后进行30分钟的药物干预期。测试了生理盐水、氯氮平、4-氨基吡啶（4-AP）和瑞替加滨的作用。请点击此处查看该图的放大版本。
图2抗精神病药物和钾通道调节剂对海马体（HIP）和前额叶皮层（PFC）持续电生理活动的影响 海马（HIP）和前额叶皮层（PFC）局部场电位的归一化频谱图，以及HIP-PFC相干性，在所有被研究的药物作用下均表现出时间依赖性效应。这些药物被给予 通过 在 t = 15 min 时进行腹腔注射。 请点击此处以查看此图的放大版本。
图 3：抗精神病药物和钾通道调节剂对 HIP 与 PFC 脑区功率谱密度的影响。 4-AP 显著增强了两个脑区的伽马波段功率，而氯氮平和瑞替加滨则在两个脑区均抑制了伽马波段功率。请点击此处查看该图的放大版本。
讨论
本文所述方案概述了构建定制化前置放大器的步骤，该前置放大器专为同时记录海马（HIP）和前额叶皮层（PFC）的双通道局部场电位（LFP）而设计。本方案提供的详细步骤可使研究人员充分探究各脑区内部以及HIP与PFC之间神经信号的通信机制。
该定制设计的前置放大器头端采用商用放大器芯片。尽管当前配置支持8通道记录，但头端可轻松改装以支持完整的32通道容量，从而为电极阵列记录提供扩展通道数的潜力。考虑到头端成本较低，一种可行方案是将其永久固定在动物头部。这种方法的优势在于可最大限度减少运动伪迹，并降低由活动引起的总体干扰水平。
定制电极能够稳定地长期记录局部场电位（LFPs），在3至5个月内保持良好的信号质量。另一种可行的方法是采用基于聚酰亚胺的柔性电路板作为电极阵列10,11。这些柔性电路板可与记录用前置放大器集成，实现多通道记录。该方法的优势在于简化了电极制备和手术操作流程。植入物在带有和不带有前置放大器时的重量分别仅为0.198 g和0.812 g，因此适用于非常年幼的小鼠。
当前记录技术的一个局限性是悬挂电缆可能造成的干扰，这会影响动物在实验过程中的自然行为。为解决这一问题，可考虑采用其他替代方案，例如使用SD卡进行数据存储，或实施无线信号发射模块。
该实验方案中一个关键且至关重要的步骤是电极的准确定位。必须确保电极放置的精确性和一致性，以保证不同实验之间的可比性。为验证电极位置，必须进行组织学分析12。一种有助于提高海马区（HPC）电极定位准确性的有效技术是在电极垂直插入过程中进行记录，因为强烈的θ节律和神经元放电信号可提示电极已正确放置。建议使用年龄超过8周的成年小鼠，因为随着小鼠年龄增长，信号质量可能下降，或导致电极位置不准确。充分考虑上述因素将有助于维持实验结果的可靠性和有效性。
综上所述，本文介绍的实验方案为研究不同脑区之间的信号通讯提供了一个框架。该方案使研究人员能够探索这些脑区内及脑区之间的神经元动态活动及其相互作用。
披露
作者无任何利益冲突需要披露。
致谢
本工作由 皇家墨尔本医院神经科学基金会（A2087） 资助。
材料
| 姓名 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
|---|---|---|---|
| 黄铜管 | Albion Alloys, USA | 内径为 0.45 mm | |
| 卡洛芬 | Rimadyl, Pfizer Animal Health | ||
| 商用放大器芯片 | Intantech | RHD 2132 | |
| 控制板 | Intantech | RHD 记录系统 | |
| 牙科水泥 | Paladur | ||
| 热缩管 | Panduit | 直径 0.8 mm | |
| M1.2 不锈钢螺钉 | Watch tools | 钟表用螺钉 | |
| 多通道插座连接器 | Harwin, AU | 1.27 mm 间距，PCB 插座 | |
| 聚四氟乙烯涂层钨丝 | A-M SYSTEMS, USA | 内径为 150 µm | |
| 磷酸基助焊剂 | Chip Quik | CQ4LF-0.5 | |
| 记录软件 | Intantech | RHX 记录软件 | |
| 立体定位仪 | World Precision Instruments | 小鼠立体定位装置 | |
| 超级胶水 | UHU | 超快干型 |
参考文献
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