本文介绍了一种轻量化、低成本的探针植入系统，适用于啮齿类动物的慢性电生理实验，该系统在设计上优化了易用性、探针回收性、实验灵活性以及与行为学实验的兼容性。
方法文章
DREAM 植入体：一种用于固定头部及自由活动小鼠慢性电生理记录的轻量化、模块化且经济高效的植入系统
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摘要
摘要
在啮齿类动物中进行的慢性电生理记录显著加深了我们对神经元动态及其行为相关性的理解。然而，目前用于长期植入探针的方法在成本、使用便捷性、尺寸、适应性和长期稳定性之间存在着较大的权衡。
本方案介绍了一种名为DREAM（动态、可回收、经济、适应性强且模块化）的新型小鼠慢性探针植入系统，旨在克服现有可选方案中存在的权衡问题。该系统提供了一种轻量化、模块化且成本效益高的解决方案，采用标准化的硬件组件，可灵活组合并以简单步骤进行植入，同时能够安全取出探针以实现回收和多次重复使用，显著降低实验成本。
DREAM 植入系统集成了三个硬件模块：（1）一种微驱动装置，可承载所有标准硅探针，允许实验人员在最高达 7 mm 的行程范围内调节记录深度；（2）一种可三维（3D）打印、开源设计的可穿戴式法拉第笼，表面覆盖铜网，用于电磁屏蔽、抗冲击保护和连接器定位；（3）一种微型化的头部固定系统，以提升动物福利并提高操作便捷性。相应的手术方案已针对操作速度（总时长：2 小时）、探针安全性和动物福利进行了优化。
植入物对动物的行为谱影响极小，在自由活动和头部固定条件下均易于应用，并可在植入后数周的数据收集中提供清晰可辨的尖峰波形和健康的神经元反应。感染及其他手术并发症极为罕见。
因此，DREAM植入系统是一种多功能且经济高效的解决方案，适用于小鼠的慢性电生理研究，可提升动物福利，并支持更符合自然行为学的实验。该系统的设计简化了多种研究需求下的实验流程，使更多研究实验室能够开展啮齿类动物的慢性电生理研究。
引言
慢性植入硅探针的电生理学技术已成为研究行为动物（尤其是小鼠）神经活动与连接性的强大手段，这主要得益于小鼠在遗传和实验操作上的可及性1特别是层状硅探针 已被证明是识别皮层柱内功能关系的宝贵工具2 并将大型神经元群体动态与行为之间的关系以此前无法实现的方式进行关联3.
目前记录活体神经活动的两种互补方法被视为金标准：双光子显微镜技术4,5 和细胞外电生理记录6。记录方法的选择决定了可获得的读数性质：双光子显微镜技术特别适用于在长时间内对大量神经元中可 individually identifiable 的单个神经元进行纵向研究，但其设备成本高昂，且在完整大脑中仅限于皮层浅层。此外，其典型的时间分辨率约为 ~30 Hz，限制了其捕捉持续神经元动态的能力7,8。
相比之下，电生理记录具有高时间分辨率（高达 40 kHz），可逐 moment 地追踪神经元活动，适用于多种物种及不同皮层深度，且其设备成本相对低于双光子显微镜。然而，识别单个神经元以及对神经元群体进行长期追踪较为困难，这一局限在金属丝电极（例如四极电极）和急性电极插入中尤为明显。除了无法在不同记录会话之间追踪同一神经元9外，反复的急性插入还会造成局部组织损伤10，引发免疫反应11，增加感染和胶质增生的风险。这最终会降低记录到的神经元活动的稳定性，并缩短实验动物的寿命，从而将采用急性电生理记录的纵向研究限制在短短数天之内12。
慢性高密度硅探针记录旨在结合急性电生理学和双光子成像的一些最佳特性。与双光子成像相比，它能够在多次记录会话中追踪神经元群体动态，仅在一定程度上降低了对单个神经元的识别能力13。这些记录提供了记录信号在空间分布上的高度灵活性和精确的时间分辨率，同时相较于急性记录，显著延长了实验动物的使用寿命并改善了其健康状况14。此外，与急性记录不同，慢性电生理记录仅需一次植入操作，有效降低了感染和组织损伤的风险，并减少了动物所承受的压力15。总体而言，这些优势使慢性电生理学成为研究神经系统结构与功能的有力工具。
然而，小鼠常用的慢性植入技术使研究人员不得不在行为记录的兼容性、植入物重量、植入的可重复性、经济成本以及整体操作便捷性之间做出重大权衡。许多植入方案并未设计为可重复使用探针16，这显著提高了单次实验的实际成本，从而使一些实验室在经济上难以开展慢性电生理研究。此外，这些方案通常需要大量的内部原型制作和设计工作，而并非所有实验室都具备相应的专业技术与资源。
另一方面，集成式植入系统17为啮齿类动物的慢性电生理研究提供了一种更易于普及的解决方案。这类系统将固定探针的微型驱动装置与植入物的其余部分整合在一起，以简化植入物的操作和手术流程。然而，一旦植入，此类系统可能头重脚轻，限制实验者根据不同的目标坐标灵活调整实验设计。此外，它们的重量通常使小型动物无法接受植入，可能影响动物的正常活动并引发应激反应18。这会对幼年动物和雌性动物群体的研究造成更显著的影响，因为这些群体更易受到重量限制的影响。
此外，并非所有集成系统都允许在植入后调整电极位置。这一点非常重要，因为探针插入引起的胶质增生或瘢痕形成19，尤其是在植入后的最初48小时内20，可能会降低记录到的神经元活动的质量。对探针插入深度进行微调可减轻这些对信号完整性的不利影响。因此，即使是在沿长度方向分布有大量电极的探针中，通常称为微驱动装置的微定位机构仍然具有显著优势。
为了克服此类权衡，我们提出了一种用于小鼠的新型慢性电生理植入系统，该系统通过提供轻量化、低成本且模块化的解决方案，解决了以往设计的局限性。DREAM 植入系统的设计重量小于小鼠典型体重的 10%（约 2.1 g），可确保动物福利并最大程度减少对行为的影响。对 DREAM 植入系统设计的验证表明，其对行为关键指标（如运动能力）的影响极小——而当在啮齿类动物颅骨上施加负载时，运动能力通常会受到显著影响。该系统可惠及使用自由活动和头部固定动物的实验范式，通过提升动物福祉，支持更符合自然行为学的实验设计。
该系统包含一个微驱动装置，可灵活调节记录深度至7 mm，并能适配多种类型的探针和记录设备，为研究人员提供了用于各种实验应用的经济高效且多功能的工具。该系统通常与金属微驱动装置结合使用21，相较于其他系统，其探针回收率稳定（预计平均回收率：每根探针可可靠重复使用约三次），并显著降低了单次实验的成本。
该设计采用3D打印的保护性法拉第笼，能够以较低成本有效防护电生理噪声、机械冲击和感染性物质，实现稳定且无噪声的记录，并显著降低感染率。这种可植入式笼状结构包含所谓的“冠部”，用于抗冲击，并为法拉第笼的导电金属网涂层提供结构支撑；还包括冠环，用于安装可植入式放大器和/或探针连接器（见图1）。
最后，模块化植入系统中包含的头板设计为可与一种新型高效头部固定系统兼容，且不会增加植入物的额外体积。与其他现有系统相比，该系统无需在植入物附近拧紧小螺丝，从而加快了小鼠在实验装置中的固定速度，改善了实验人员与动物之间的关系，并提高了动物的行为依从性。同时，该头板还可用作构建DREAM慢性电生理系统其他模块的基础平台。
DREAM 植入体的设计文件已作为开源硬件发布在 https://github.com/zero-noise-lab/dream-implant/。下文将介绍 DREAM 植入体系统的设计与制造过程，展示其在小鼠模型中的成功应用，并讨论相较于现有系统的优势与潜在应用前景。
方案
所有实验操作均按照马克斯·普朗克学会的机构指南进行，并经当地政府伦理委员会批准（根据《动物保护法》第15条设立的咨询伦理委员会，黑森州政府主席团，项目批准编号：F149-2000）。
图1：植入体设计。（A）植入体的三维渲染图叠加在小鼠颅骨上，硅探针连接至探针连接器。头板中央开孔直径约为10 mm，作为比例参考。驱动装置高度约为17 mm。未显示构成法拉第笼外层的铜网以及接地/参考电极线。（B）与（A）相同，但连接至放大器板而非探针连接器。（C）植入体的分解技术图纸，展示其各个组件。（D）一种倾斜垫片的渲染图，可植入微驱动装置下方，用于以预设角度（此处为20°）一致地植入微驱动装置。（E）集成头部固定机制的渲染图，显示植入的头板与法拉第笼，以及周围的头部固定夹具和与实验装置的燕尾连接。（F）利用植入体的集成头部固定机制将小鼠头部固定在跑步机上的图像。请点击此处查看该图的放大版本。
注意：第1节和第2节讨论术前准备
1. 硅探针的制备
- 若重复使用探针，请按照探针供应商的建议对硅探针进行清洁（参见第10.12点推荐的操作步骤）。将探针浸入酶清洁剂（见材料表）中5–10分钟，然后用去离子水冲洗。此操作应在取出探针后尽快完成。在（再次）植入前一日，将探针浸入70%乙醇中至少30分钟以进行消毒。
- 测量各通道的阻抗，确保其处于信号记录所要求的规格范围内。参照Neuropixels用户手册22中关于噪声水平测试的协议，通过所需的记录软件（例如：https://open-ephys.github.io/gui-docs/User-Manual/Plugins/Acquisition-Board.html#impedance-testing）测量阻抗，并参照硅探针制造商或数据手册中指定的目标通道阻抗值。若阻抗过高，应考虑重新涂覆电极位点23。
- 将一个0.05英寸焊尾插座（见材料表）焊接到探针的接地（GND）导线上。在手术过程中将该插座连接至GND引脚（见下一步）。
注意：本方案中未使用独立的参考电极（REF）引脚，因为所用前置放大器头级上GND与REF已短接。因此，本方案后续仅提及GND引脚。若使用独立的REF引脚，则需对REF引脚重复执行以下步骤。 - 为准备GND引脚，反复将0.05英寸镀金焊尾插座的插针端（见材料表）插入GND用0.05英寸焊尾插座中，直至插入过程几乎无需施力。使用镀金插针可减少对此平滑步骤的需求。该操作可确保在手术过程中GND插针与插座能够轻松连接，无需施加过大压力，从而降低对动物造成损伤及探针损坏的风险。
- 若使用可植入式硅探针前置放大器，请按照供应商提供的操作流程准备其长期植入。随后使用硅胶粘合剂将放大器/连接器固定于法拉第笼的环形支架上，粘贴至法拉第环上专为固定放大器设计的区域（见图1）。
注意：按照供应商流程准备可植入式硅探针前置放大器用于长期植入，可能包括以硅胶或环氧树脂包覆以防止湿气损坏电子元件，以及反复插拔放大器连接器以降低在记录过程中将放大器接入记录系统时的插拔力度。此操作对使用Omnetics设备的用户尤为有益。
2. 微驱动装置和头戴装置的制备
- 旋转微驱动装置主体上的螺丝，使微驱动滑块几乎完全向上回缩。
- 可选步骤：使用氰基丙烯酸酯胶水或牙科水泥将一个倾斜垫片（见图1D）粘附在微驱动装置底部，该垫片可用于实现特定角度的倾斜，例如在中央沟区域记录皮层各层信号，或在需要非垂直进针角度的深部脑区进行记录时使用（倾斜垫片详见材料表）。
- 将微驱动装置水平放置于微驱动装置支架上（补充图1）。
- 在微驱动装置支架上距离微驱动装置一定高度处放置一小块黏性橡皮泥（见材料表），该高度应与头端连接器将要放置的位置一致。此距离取决于连接硅探针与头端连接器的柔性电缆长度。
- 在滑块上滴一滴少量硅胶石膏（见材料表）。
- 使用钝头软尖镊子从包装中取出硅探针。可通过在标准尖嘴镊子尖端套上直径为3 mm的热缩管来制作此类镊子（见材料表）。将探针以柔性电缆朝前的方式放置在微驱动装置的滑块上，使柔性电缆的底边略微超出微驱动滑块的底边。
- 轻轻将柔性电缆向微驱动装置顶部拉拽，直至其底边与微驱动滑块的底边对齐。在此过程中，务必同时将柔性电缆紧贴微驱动滑块的左侧边缘推动，以确保最终其在微驱动装置上保持完全垂直。此时应确保硅探针的针柄部分未（或仅轻微）超出微驱动装置的下边缘（具体取决于探针针柄的确切长度以及目标脑区的深度）。
- 将探针的头端连接器放置在支架顶部的黏性橡皮泥上，以防止探针脱落。
- 使用27 G注射器针头在柔性电缆与滑块之间滴加少量氰基丙烯酸酯胶水（见材料表），以固定探针位置。注意确保胶水不会流至微驱动装置本体或沿柔性电缆延伸至滑块以外区域（此点极为重要）。
- 待柔性电缆被牢固粘接后，使用硅胶石膏将放大器固定在冠状环上（见材料表），随后将柔性电缆连接至放大器，并用一层薄硅胶石膏覆盖连接处及电缆部分。
- 5分钟后，当硅胶石膏完全固化，将微驱动装置与探针妥善保存，以备后续使用。
- 将铜网（见材料表）裁剪成开口环形（裁剪样式参见补充图2），用于覆盖法拉第笼。
- 使用少量环氧树脂胶滴将裁剪好的铜网固定在法拉第笼上（见材料表）。此步骤也可用牙科水泥替代环氧树脂。
注：法拉第笼设计中包含用于容纳探针连接器或放大器的空间，该位置在设计文件中标记为“X”，并设有放大器/连接器的支撑基座，以及笼体相邻辐条之间更大的间距。为在放大器/连接器周围留出足够空间，需在两根相邻辐条之间固定一小段额外的铜网，形成凸起结构，从而确保放大器/连接器后续可置于该“口袋”内而不与法拉第笼接触。为确保粘接牢固且变形最小，可将冠状环直接放置在冠部以维持其形状，并支撑冠部细长的辐条。此外，可使用焊锡辅助夹具在干燥过程中固定冠状环与铜网。若在操作过程中难以维持冠状环形状，建议每次仅粘接两根冠臂，以防止变形。 - 若需对法拉第笼进行独立接地，可将一小段排针焊接到一根30 mm长的接地线上（见材料表），然后使用导电环氧树脂将该导线粘附至裁剪好的铜网上。
注：本实验室未执行此步骤。 - 至此，将已准备好的部件妥善保存，择期进行手术。
注：第3–6节将讨论微驱动装置与头戴组件的植入过程。
3. 手术：探针和手术区域的准备
- 按照批准的操作程序，对手术器械进行灭菌，并将其放置于手术工作区。
注意：可根据批准的实验方案，采用玻璃珠灭菌器灭菌、高压灭菌、或用30%过氧化氢或90%乙醇冲洗。 - 根据牙科水泥试剂盒的说明（见材料表），将用于配制牙科水泥的陶瓷皿置于冰盒、冰箱或冷冻柜中冷却。在混合水泥时使用冷却的陶瓷皿，可延长水泥的可塑时间。当需要较长的粘接步骤时，应使用冷却的陶瓷皿。
- 若实验结束后需通过组织学方法验证探针位置，应在手术前通过逆时针旋转微驱动装置上的螺丝来伸出硅探针，并将探针浸入少量脂溶性染料中，使其标记（见材料表）。将市售的二甲基亚砜（DMSO）或乙醇（EtOH）稀释的储备液（见材料表）用适当的缓冲液（如PBS）稀释至1–5 µM浓度，以制备脂溶性染料工作液。
4. 手术：动物准备
- 在无菌条件下，按照已批准的麻醉方案对啮齿类动物实施持续2-4小时的手术。该方案可包括全身麻醉和局部麻醉、镇痛、眼膏涂抹以及生理盐水注射。本实验中使用注射麻醉剂（氯胺酮 100 [mg/kg]/美托咪啶 0.5 [mg/kg]），联合局部镇痛乳膏和眼膏（见材料表），并将动物置于加热垫上以调节体温。在整个手术过程中，按照已批准的监测程序（例如脚趾夹捏测试）定期（每20分钟一次）监测麻醉深度。同时监测呼吸的规律性和深度，确保未超过适当的麻醉平面。
- 当动物完全麻醉后，将其转移至一个独立的非无菌剃毛区域。
- 确保动物充分保暖，例如将其放置在加热垫上。去除颅骨顶部的毛发，可使用电动剃须刀或脱毛膏（见材料表），或用蘸有70%乙醇的手术刀反复刮除头部顶部的毛发。
- 小心清除松散的毛发，以防止其后续接触暴露的组织。可使用蘸有70%乙醇的纸巾和/或挤压球泵来清除毛发。若使用脱毛膏，需用棉签和生理盐水彻底将其清除干净。
- 使用棉签多次以含碘消毒剂（见材料表）和酒精对剃毛区域进行消毒，操作时从头部中心向两侧移动，将残留的松散毛发从切口区域推开。
- 在切口周围的剃毛区域涂抹聚维酮碘（Betadine），并在动物身体及未剃毛区域覆盖手术巾。可选地，也可直接在切口区域覆盖手术巾。此举可确保无菌操作区域，并防止手术器械和材料接触非无菌毛发。
- 使用耳杆和鼻夹将动物固定于立体定位仪中（见材料表）。在开始切口前，通过脚趾夹捏测试和呼吸模式监测等方法，确认动物处于适当的麻醉平面。
- 使用小型手术剪刀（见材料表），在颅骨顶部皮肤上剪出一个杏仁形切口，切口范围从前囟后方的λ缝稍后处延伸至两眼之间。
- 在保持湿润状态下剪除皮下膜和骨膜，然后用手术刀片轻刮颅骨表面，去除可能影响牙科水泥粘附的软组织膜。
- 可选步骤：在清除颅骨表面的膜组织后，短暂涂抹一层0.5%过氧化氢，随后用水基碘消毒剂（如聚维酮碘）冲洗干净，再对颅骨表面进行粗糙化处理，以增强底漆与颅骨的粘附性。
- 将手术刀片倒置，用其尖端在颅骨表面轻划交叉纹路，小心地对颅骨表面进行粗糙化处理。这有助于后续牙科水泥更好地粘附于颅骨。
注意：切勿在缝线上方过度刮擦，以免导致缝线破裂并引发颅内液体渗漏，从而影响牙科水泥的粘附。 - 交替使用手术刀片和无菌棉签，轻轻刮擦或推移附着在λ缝两侧的颈部肌肉，直至将肌肉推至小脑上方颅骨的“边缘”处。这有助于减少神经记录中的肌肉噪声。
- 用1 mL注射器配27 G针头（见材料表）吸取少量外科用氰基丙烯酸酯胶水（见材料表），然后通过注射器将微量超级胶水涂抹于皮肤与颅骨边缘之间，将皮肤粘附于颅骨上。应尽可能将组织平整地粘贴于颅骨，以预留植入物空间。此操作可确保皮肤和肌肉不与植入物部件直接接触，从而避免记录中的肌肉噪声，并增强牙科水泥的粘附性。
- 在整个颅骨表面涂抹牙科水泥底漆以增强粘附力，并用紫外光固化（见材料表）。此举可提高牙科水泥的粘附强度，并防止颅骨缝合线处渗漏，避免随时间推移导致颅骨-水泥结合强度下降。
- 根据前囟（bregma）或λ缝确定探针植入的目标位置，并用外科标记笔在周围标出开颅区域轮廓。将头帽放置于颅骨上，使开颅区域位于其内部，并在开颅区域一侧预留微驱动装置的空间，以及1-2个接地钉的空间。
- 使用牙科水泥植入头帽。在指定的冷却陶瓷皿中混合牙科水泥（见步骤3.2）。确保头帽在所有边缘均牢固粘附于颅骨，形成一个密封的“井”状结构。
- 使用牙科钻头（尺寸US ½ HP），在步骤1.4中准备的GND/REF引脚对应的脑区钻出与引脚宽度相同的小钻孔。如需将法拉第笼接地，则在法拉第笼边缘附近另钻一个小钻孔，用于法拉第-接地引脚。
注意：对于GND/REF引脚，应将开颅位置与笼边缘保持足够距离，以便后续引脚可完全置于孔内而不接触法拉第笼。 - 用注射器将无菌生理盐水轻轻滴入开颅区域，并用不掉屑擦拭巾（见材料表）清除液体，重复操作直至所有血液和松散组织被彻底清除。
- 配制0.7%的琼脂（见材料表）生理盐水溶液，稍作冷却后，用1 mL注射器配27 G针头将其注入开颅区域。
- 将GND引脚（见步骤1.3）轻轻插入上一步钻出的每个开颅孔中。引脚四周将被琼脂包围（见步骤4.17）。在引脚周围涂抹水泥以固定并实现电绝缘。
- 清洁陶瓷皿并将其放回冰箱/冷冻柜中。
- 使用牙科钻头，以稳定动作沿边缘钻出较大开颅区域（圆形或方形）的轮廓。确保开颅区域大小为1 mm × 1 mm 至 2 mm × 2 mm，以便在避免暴露过多皮层的同时，对探针位置进行微调以避开血管。如有可能，应避免在缝线上方开颅。每次钻孔持续20-30秒，并在钻孔间隙用生理盐水冷却颅骨。
注意：开始钻孔时，可用标记笔标出微驱动装置前缘的位置，从而在钻孔过程中形成与微驱动前缘平行的直线边缘。这有助于在固定微驱动装置时避免水泥进入开颅区域，同时提升粘附效果，防止微驱动装置悬垂于开颅区域之上，并在最终记录位点定位时提供更大的横向操作空间。 - 经过几轮初步钻孔后，用精细镊子（尺寸5或更细；见材料表）轻压已钻除的骨片，测试其阻力。
- 在每次钻孔间隙持续测试，直至镊子轻压时骨片开始在下方“弹动”。此时，在开颅区域滴加一滴生理盐水以软化骨组织，然后用镊子小心移除已钻出的骨片。
- 若无法轻柔移除骨片，则再进行一轮钻孔，重点处理骨片仍牢固附着的部位。通常应在骨片完全钻透前，通过镊子施加轻柔压力将其移除，以最大程度减少组织损伤。
注意：务必定期湿润硬脑膜表面，无论是在钻孔过程中（以降低温度）还是在骨瓣移除后。这有助于防止硬脑膜干燥变硬，从而提高探针插入的顺畅性。若硬脑膜过于坚韧难以穿透，或使用钝头或多通道探针时，可在生理盐水浸润下，用27 G针头挑起硬脑膜并做小切口进行硬脑膜切开术，以防止硬脑膜粘附于脑表面。
- 用浸有冷无菌生理盐水的止血海绵（见材料表）覆盖开颅区域，以保护硬脑膜和脑组织。
5. 手术：探针植入
- 将定制的微驱动装置支架（参见材料表）安装到立体定位仪的臂上。如果在探针制备后曾将微驱动装置从支架上取下，请将带有硅探针的微驱动装置重新放入微驱动支架中。根据需要调整立体定位臂的角度，以到达目标脑区。将连接放大器的冠状环放置在微驱动支架后部的三个垂直插针上（参见补充图1）。
- 将微驱动装置下降至距离颅骨开窗处约0.5 mm的位置，然后使用镊子将探针上连接的接地/参考（GND/REF）接头引脚与颅骨上已植入的相应GND/REF引脚连接（参见步骤4.14–4.15）。有关驱动装置、颅骨开窗和GND/REF引脚位置的示例，请参见补充图3和补充图4。
- 固定到位后，可选择性地在连接引脚上滴加一滴导电银环氧树脂（参见材料表），以增强连接的稳定性。待银环氧树脂固化后，再用少量牙科水泥覆盖已连接的引脚（参见材料表），以确保长期稳定的连接，并防止与周围组织和/或植入元件之间产生电连接。
- 从颅骨开窗处移除止血海绵（参见步骤4.22）。
- 将带有微驱动装置的立体定位臂移至颅骨开窗上方。
注意：如果探针处于回缩状态，请确保微驱动装置的放置位置能使探针下落时接触开窗区域中无较大血管的部位。 - 如有必要，通过调整位置和角度，将微驱动装置进一步下降，直至探针柄部接触到目标区域的硬脑膜或脑表面（参见步骤4.21）。
- 在指定的陶瓷皿中混合牙科水泥（参见步骤3.2），并将微驱动装置底部固定，重点加固微驱动基座中不朝向电极的三个侧面。确保水泥不接触可拆卸“基座”以上的微驱动装置部分（参见图1D）。
- 确保微驱动基座与颅骨之间的所有空隙均被牙科水泥完全填充。清洁陶瓷皿并将其放回冰箱/冷冻柜。等待水泥固化，约需10–15分钟。
注意：微驱动基座与颅骨之间留有微小间隙，应使用流动性最强状态的水泥填充。当水泥略微变稠后，再在微驱动基座壁与颅骨之间逐步堆积水泥。始终使用极少量水泥，因其流动行为难以预测，较大体积可能流入非预期区域。可用少量浸有生理盐水的止血海绵覆盖颅骨开窗的部分区域。若水泥意外流入开窗区域，应在水泥形成薄膜状稠度时立即用镊子将其清除。
- 确保微驱动基座与颅骨之间的所有空隙均被牙科水泥完全填充。清洁陶瓷皿并将其放回冰箱/冷冻柜。等待水泥固化，约需10–15分钟。
- 通过显微镜仔细观察探针位置，将硅探针缓慢下放至脑组织上。当探针柄部接触脑组织时，迅速下放约250 µm（螺丝旋转一圈为282 µm），以确保探针穿透硬脑膜/皮层表面的阻力层。
- 需通过视觉确认此过程。若探针未能进入皮层，等待5分钟，然后通过反复将探针上下移动数十微米，利用探针尖端对硬脑膜/皮层施加张力，尝试刻蚀穿透硬脑膜。
- 一旦探针穿透皮层表面，应以较慢速度（100–200 µm/min）逐步下放，直至达到目标坐标或探针移动距离超过1000 µm。若目标深度超过1000 µm，则应在后续记录会话中分步推进，每次最多推进1000 µm，直至达到目标坐标。
注意：若选择在下放硅探针过程中同步监测神经信号，则可跳过此步骤。相关操作详见第7节。 - 按照说明书配制硅橡胶弹性体（参见材料表），并使用1 mL注射器（参见材料表）向颅骨开窗内注入少量液滴。
- 待硅橡胶干燥后，用等体积的骨蜡与矿物油混合物覆盖其表面。此步骤可进一步保护探针，并防止颅骨开窗处积累碎屑和干涸血浆，从而使后续探针取出更简便、更安全。操作时需格外谨慎，因在探针已下放的情况下在其周围操作可能导致探针断裂。
6. 手术：法拉第笼的植入
- 当牙科水泥完全固化后，使用内六角扳手松开固定微驱动装置的侧向螺丝，以松开微驱动支架（参见补充图1）。轻轻将支架向后回撤约1 cm，使微驱动装置独立直立，但探针放大器/连接器仍固定在植入支架上，且柔性电缆未被拉伸。
- 通过在开口处拉伸笼体，将预制的冠状结构和法拉第屏蔽网水平套在头板周围，并覆盖微驱动装置和柔性电缆，然后使用牙科水泥将其固定在头板上。
注意：务必使用牙科水泥封闭法拉第屏蔽笼与颅骨之间的所有缝隙，以防止植入物受到污染。 - 将带探针连接器/前置放大器的法拉第冠状环（参见材料表）套在冠状结构上，使集成的探针放大器/连接器支架与法拉第冠上标有凹陷“X”记号的区域对齐（参见步骤2.13）。
- 在每个辐条与环的连接处，使用少量氰基丙烯酸酯胶水或牙科水泥将环固定到法拉第屏蔽笼上。
- 当带集成探针放大器/连接器的法拉第环固定到位后，将带有微驱动支架的立体定位臂完全回撤。有关这些组件组装的逐步说明，请参见补充图3。
7. 术后测试记录
- 将探针放大器/连接器连接到记录硬件，并开始记录。
- 如果探针在初次插入时尚未到达目标位置（参见步骤 5.9），则缓慢逆时针旋转微驱动器螺丝，同时监测神经信号，以降低探针位置。
注意：当电极接触到颅骨开窗上方的硅胶弹性层时，以及当电极开始进入脑组织时（参见步骤 7.2），信号应发生变化。完全插入脑组织的电极将记录到高频神经元活动，而与脑表面脑脊液（CSF）接触的电极通常显示低通滤波的群体神经信号，无尖峰放电活动（类似于脑电图波形），处于空气中的记录位点则会显示增加的电噪声。还可通过测试记录后测量各个通道的阻抗来进一步验证探针插入深度。与空气接触的通道应显示高阻抗（表示开路），而与脑脊液接触或已进入脑组织的通道，其阻抗应与术前测量值相似。每次实验最多将硅探针推进约 1000 µm，推进速度不超过约 75 µm/min（参见步骤 5.5）。 - 当在整个探针上观察到神经局部场电位，或探针已最多推进 1000 µm 时，结束测试记录，并断开前置放大器连接器。
8. 恢复
- 使用自粘式兽医包裹膜（见材料表）覆盖法拉第笼。
- 结束麻醉，并根据批准的实验指南，在术后数天内对动物进行术后护理。护理措施可包括给予镇痛剂和预防性抗生素。
注意：本研究使用注射用丁丙诺啡（0.1 mg/kg）和注射用恩诺沙星（20 mg/kg），并在术后3天和5天内分别通过饮水给予恩诺沙星（0.17 mg/mL）和安乃近（1.25 mg/mL）。根据小鼠饮水量的不同，其每日摄入的恩诺沙星约为1.02 mg，安乃近约为7.5 mg。 - 若硅探针上的电极尚未到达目标位置，可使用微驱动装置的螺丝以小步进方式调节，每次最多旋转四整圈（约1000 µm）。如有必要，可在数日内重复此操作，直至达到目标位置。建议在移动探针的同时进行同步记录，以评估探针经过区域的电生理活动。
注意：该植入装置设计为植入后几乎无需额外护理和维护。然而，由于头板位置靠近颈部，皮肤移动可能引起刺激。应监测该区域，如出现刺激症状，应根据批准的实验指南涂抹抗生素软膏。
9. 行为实验与慢性记录
- 在动物执行任务期间进行慢性固定头部记录时，通过手动打开夹具并将植入的头板夹紧在法拉第笼底部的头部固定夹上（参见 图1C、E、F）。
注意：如果不需要头部固定，该植入系统也可用于自由活动记录。对于自由活动记录，请跳过步骤9.1和9.7。 - 从植入物上移除自粘式兽用绷带。
注意：为尽量减少动物不适，建议在操作植入物时，提前开始一项简单且具有奖励性的行为任务，以分散动物注意力。 - 将放大器/连接器连接至记录设备。
- 在动物执行任务的同时进行神经元记录。
注意：如果目标是最大化记录到的细胞外单位数量，当某一位置的神经信号产量下降时，可将探针移动数十微米。需注意，探针移动后，信号可能需要数分钟至数小时才能稳定。因此，建议在记录 session 结束时移动探针，以便信号在下一次 session 开始前得以恢复。 - 行为记录结束后，断开记录设备，并用新的兽用绷带包裹植入物。
- 打开头部固定夹，使动物脱离头部固定装置。
10. 探针回收
- 在最后一次记录结束时，通过顺时针旋转螺丝，将硅探针尽可能地从微驱动装置中回撤。此操作可在动物头部固定并处于行为状态时进行，也可在动物处于麻醉状态下的手术装置中完成。通过同步监测神经信号，并观察电极浸入脑组织、接触脑表面或暴露于空气中的特征性信号变化，来记录探针退出脑组织的过程（参见步骤7.3）。
注意：根据组织学方案和探针类型，可在回撤探针前进行电解损伤，以确定探针上部分电极的精确位置。若无需通过神经记录监测探针退出过程，则也可在动物处死后进行探针回撤。 - 按照批准的指南对动物实施安乐死（若计划对脑组织进行固定以进行后续组织学分析，则包括灌注动物）。
- 动物死亡后等待约10分钟，然后将其头部固定于立体定位仪上，确保在脑组织取出过程中头部不会移动，以防止探针断裂。
- 在颅骨开窗处滴加一滴生理盐水，静置数分钟，以软化探针柄上干燥的生物组织，降低探针柄断裂的风险。
- 将立体定位支架置于微驱动装置上方约0.5 cm处，然后使用小型手术剪刀剪断法拉第笼的辐条上端（参见材料表），释放固定放大器/连接器的法拉第环，并将该环向后转移至立体定位支架顶部的垂直插针上（参见步骤5.1和补充图1）。
- 使用相同的手术剪刀小心剪除法拉第冠状结构辐条之间的U形铜网区域，随后在基部剪断冠状结构的塑料辐条。
注意：剪切过程中应避免弯曲打印的塑料辐条，以防其断裂并导致塑料碎片飞溅至探针上。 - 降低立体定位支架，直至可通过支架的侧向螺丝将微驱动装置固定于支架中；固定微驱动装置后，松开连接微驱动装置主体与底座的T1螺丝。
- 缓慢收回带有植入支架的立体定位臂，将微驱动装置从其底座上提起。确保微驱动装置以垂直角度（即相对于底座“垂直”方向）与底座分离。
注意：若微驱动装置主体与底座不易分离，请检查立体定位臂的运动方向是否与微驱动装置的方向一致。如有必要，可略微松开动物头部的固定装置，并重新调整其位置，使支架与微驱动装置重新对齐。正确的对齐是顺利回收微驱动装置的关键因素之一。同时检查微驱动装置与底座之间是否存在残留的牙科水泥（参见步骤5.5）。如有，应根据水泥量使用手术刀或牙科钻小心刮除。 - 升起带有连接探针的立体定位臂，以在其下方创造足够的操作空间。
- 将动物从立体定位仪上移除，如需进行组织学分析，请按照批准的组织学方案准备脑组织。回收已植入的微驱动装置底座，并将其浸泡在丙酮中数小时以清洁，供后续重复使用。
- 将清洁的微驱动装置底座放置于粘性橡皮泥上（参见材料表），然后将微驱动装置缓慢降下至底座上，并拧紧螺丝。为防止探针断裂，整个过程中需在显微镜下持续监测探针位置。若植入的微驱动装置底座需先清洁再重复使用，此步骤可稍后完成。
注意：本方案建议使用粘性橡皮泥作为底座平台，这一点至关重要，因为橡皮泥既能固定底座，又具有一定的弹性，可防止底座滑动并与探针发生碰撞。应在微驱动装置底座探针下放侧的橡皮泥边缘塑造成垂直的“悬崖面”，以确保探针在下降过程中即使超过底座位置也不会接触到下方的橡皮泥。此外，橡皮泥“塔”应足够高，使得探针在下降超过微驱动装置底座时也不会接触到放置橡皮泥的台面。最后，应将橡皮泥牢固地固定在台面上，防止其滑动或倾倒。在将微驱动装置降下至由橡皮泥固定的底座时，应通过显微镜从侧面观察整个过程，确保探针下降过程中不会与底座或橡皮泥发生碰撞。 - 根据制造商的说明对探针进行清洁和灭菌。对于最常见的探针类型，将其在酶清洁剂中浸泡12小时（参见材料表），然后用去离子水冲洗，并在酒精中消毒。操作时可将仍连接在立体定位臂上微驱动装置支架的探针缓慢浸入盛有酶清洁剂的大烧杯中完成。
注意：如有需要，可在清洁后测量探针上各电极的阻抗，以监测单个电极可能发生的性能退化。 - 将带有清洁后探针的微驱动装置妥善保存，直至下一次实验使用。
结果
本方案介绍了一种慢性植入系统，可使研究人员在活动的小鼠中实现轻量、经济且安全的长期电生理记录（图1）。决定该方法成功应用的主要因素包括：颅骨表面完全覆盖牙科水泥、微创且得到妥善保护的颅骨开窗、微驱动装置及导线牢固地固定于颅骨，以及屏蔽用法拉第材料的完整连续性。若上述各要点均得到妥善处理，则可稳定获得高质量的记录数据。以下展示了与手术成功相关的主要方面的代表性结果：
1) 植入物是否干扰动物的行为或健康状况？
2) 信号质量是否较高，且能否在较长时间内维持信号？
3) 记录是否能够轻松地与任务执行相结合？
为了评估植入物对动物行为的影响，我们分析了五只植入动物的运动轨迹模式。图2A展示了某只动物在植入前和植入后1周时，在活动笼内自由活动10分钟的示例。可以看出，其运动模式未发生改变。这一观察结果由图2B和C进一步证实，这些图显示了各动物运动速度和头部方向的分布情况。植入前后，动物的奔跑速度和头部方向基本保持不变，甚至术后奔跑速度略有升高。补充视频1展示了动物在植入手术后第6天的短时视频记录。在家庭环境中的典型笼内行为，如运动、理毛、直立和觅食等均清晰可见，表明动物已成功从手术中恢复，且整体健康状况良好。植入物对行为影响较小，最可能的原因是其重量轻且高度适中。
图 2：手术前后运动情况。 （A）一只动物在植入前（左图）和植入后（右图）的运动示例。x/y 坐标单位为厘米，各点表示动物在10分钟内每个时间点的位置。（B）5只动物在植入前5个阶段和植入后3个阶段的运动速度分布（单位：cm/s）。（C）与（B）中相同阶段分析得到的不同运动方向的概率核密度图。请点击此处查看该图的放大版本。
接下来，评估局部场电位（Local Field Potential, LFP）和记录位点上的尖峰活动的信号质量。此处展示了来自初级视皮层（V1）皮层记录的代表性数据。为验证结果，使用Kilosort 3从清醒小鼠V1区记录的宽带神经信号中提取了疑似单细胞单位活动（见图3）。图3A显示了探针杆上提取出的单个神经元单位的位置，图3B显示了相应的尖峰波形，图3C显示了相同神经元对电流源密度（current source density, CSD）实验范式的放电反应。在此范式中，全视野闪光刺激持续时间为300 ms，频率为1 Hz（即开启300 ms，关闭700 ms），共进行200次试验。最后，图3D显示了这些神经元单位对视觉感受野定位映射范式的反应，该范式包含2000帧随机选择的黑白方块，背景为灰色，每帧持续16.6 ms。每个方块覆盖12度的视觉角度，从15 × 5个可能位置中随机选取，使得整个映射范式覆盖方位角-90至+90度、仰角-30至+40度的视觉空间。通过分析每个刺激帧后40–140 ms延迟窗口内16.6 ms时间窗中的最大放电率（根据每个通道在该时间窗内的最大活动确定最佳延迟），提取每个刺激帧的放电率反应。此类记录可用于指导调整每个电极的插入深度，并在植入手术后评估信号质量。
图 3：记录到的神经元信号。（A）通过Kilosort 3脉冲排序软件对探针电极接触点上单个神经元单元进行分类后推断出的位置。（B）与A中相同神经元单元在5 ms时间范围内的脉冲波形。细线：单个脉冲波形；粗线：平均脉冲波形。（C）在电流源密度（CSD）范式刺激下的脉冲点阵图，该范式呈现持续300 ms的全视野闪光，随后是700 ms的黑屏。图中显示了与A和B中相同的神经元单元的响应。叠加的彩色线表示相同响应的刺激前-后时间直方图（PSTH）。PSTH的放电率以10 ms的时间窗进行计算，然后通过整个PSTH中的最大放电率进行归一化处理。时间0点为中心对齐于全视野闪光刺激。（D）与A–C中相同神经元单元的感受野估计，通过稀疏噪声感受野定位范式测量。每个图显示了在16.6 ms分析时间窗内的平均放电率活动，对应白色和黑色方块刺激的起始（左图）或终止（右图）。刺激持续时间为16.6 ms，在一个横跨180度视觉角度（水平方向）和70度视觉角度（垂直方向）的5 × 15方格网格中随机呈现。放电率活动在整个感受野网格上进行了z分数标准化处理（见颜色条）。请点击此处查看该图的放大版本。
在数周至数月的重复记录中，记录质量始终保持较高水平。图4A展示了来自一只动物持续15周的纵向LFP记录。LFP记录是在上述CSD范式刺激下进行的（见图3A-C）。图4A显示了闪光刺激开始后500 ms内的平均LFP反应。本示例中使用了具有32个通道的线性探针，电极间距为25 µm。请注意，在第18天时调整了探针深度，将探针向下移动了600 µm。在此调整前后，LFP信号在各次记录日之间均保持稳定。
与此一致，在多次记录中均可识别出疑似单个神经元的峰电位波形。图4B展示了在一个月内的三次记录会话中具有代表性的峰电位波形示例，表明单个神经元活动可在长时间内被成功识别。图4C显示了在六只动物中通过慢性记录提取出的疑似单个神经元的总体数量，记录时间跨度最长可达100天。单个神经元的定义依据Kilosort 3.0的默认标准（见补充表1）。如图所示，植入后第一周内，清晰定义的单个神经元数量通常约为40个，随后逐渐减少，最终趋于一个约20个单位的稳定平台期。鉴于这些记录使用的是32通道线性探针，这意味着植入后每个电极平均可获得约1.25个单个神经元，而在长期记录中则下降至每个电极约0.65个单个神经元。在多次记录过程中反复连接植入物的放大器/连接器并未对记录质量或植入物稳定性造成明显影响，因为固定放大器/连接器的法拉第屏蔽罩能够承受超过10牛顿的重复作用力，远高于标准连接器所需的最大对接力一个数量级（见补充视频2）。
图 4：神经元记录随时间的稳定性。（A）慢性植入探针所有32个通道在植入后第3至110天对全视野闪光CSD刺激的平均LFP活动。红色垂直线表示由于术后第18天通道0-8记录位置已超出脑组织，探针被下移至新位置。（B）同一慢性植入探针在连续四周内重复记录的三个示例神经元单元的峰电位波形。细线：单个峰电位波形；粗的重叠线：平均峰电位波形。（C）Kilosort 3在6只动物的记录日中检测到的假定单单元数量（见插图图例）。红色方块表示探针移动的日期。虚线表示每次记录所用植入电极的数量（32个）。请点击此处查看该图的放大版本。
最后，本方案提供了一套模块化系统，包括微驱动装置、可穿戴的法拉第笼以及兼具植入基座和头部固定功能的头板，从而实现了慢性电生理记录与头部固定行为的结合。此处展示了小鼠在球形跑步机上穿越虚拟环境时的示例数据。图5A显示了一个典型实验中20个记录单元与跑步行为相关的放电活动。图5B展示了单个经尖峰分类的神经单元的放电活动与跑步速度之间多样但稳健的关系，图5C则展示了该效应的群体平均结果，证实了运动行为对啮齿类动物V1区神经元活动的显著影响24。
图5：头部固定行为期间的神经元反应。（A）一个示例实验中单个神经元反应的点阵图，叠加了跑步速度（紫色线）和所有单个神经元的平均放电率（浅蓝色线）。（B）六个示例神经元在不同跑步速度类别下的单神经元活动。（C） 一个示例记录会话中所有单个神经元的平均尖峰活动，按跑步速度分布的五个五分位数绘制。该会话中的跑步速度范围为0至0.88米/秒。请点击此处查看该图的放大版本。
补充表1：显示Kilosort 3在识别本研究所示记录中的单个神经元时所使用的默认参数的表格 图3, 图4，以及 图5. 请点击此处下载此文件。
补充视频 1：植入物植入后动物运动活动的视频。 在为期 5 天的恢复期结束后拍摄的视频，显示了动物正常的运动行为以及对植入物尺寸和重量的适应情况。可见动物在含有环境丰富化设施的玩耍笼中正常探索。请点击此处下载该文件。
补充视频 2：展示外力施加于组装好的法拉第冠上的视频。 法拉第冠所能承受的力大约比标准连接器（如 4 针极化纳米连接器）所需的连接力大一个数量级。请点击此处下载该文件。
补充图1：驱动器支架的图像。 可打印的设计文件可在相应的Github仓库中找到（https://github.com/zero-noise-lab/dream-implant/）。请点击此处下载该文件。
补充图2：铜网模板。 按原始比例打印该模板，并使用此模板裁剪铜网（步骤2.12）。使用比例尺验证打印比例，如有必要可进行调整。 请点击此处下载该文件。
补充图3：手术过程中植入装置组装步骤的照片序列。 本示例中安装了两个微型驱动器和两个放大器。 请点击此处下载该文件。
补充图4：小鼠颅骨示意图，显示了驱动器、颅骨开窗（绿色）和接地/参考引线针（红色）的示例位置。 建议将引线针置于小脑区域，该位置不太可能干扰皮层记录。 请点击此处下载该文件。
讨论
本文介绍了一种快速、安全且标准化的探针植入方案，该方案还可在实验结束后实现探针的回收与重复使用。该方法采用模块化的植入组件系统，具体包括一个微驱动装置（microdrive），可兼容所有常见的硅探针和记录系统；一个可用于固定头部行为学实验的头板（headplate）；以及一个可穿戴的法拉第笼，用于保护植入装置。这一组合使用户能够灵活地将植入系统适配于不同的实验范式，例如固定头部与自由活动行为实验之间的切换，或在无需法拉第笼的情况下实现植入装置的小型化，与在需要长期稳定信号时使用法拉第笼之间的权衡——同时无需牺牲植入过程的标准化程度。
该方法通过预制元件（无需手工组装）使慢性电生理记录更加标准化，通过探针回收降低了成本，通过简化手术步骤减少了操作时间，并通过减小植入物尺寸和实现无应激头部固定，更易于兼顾动物福利与行为学实验。因此，本方案旨在使行为动物电生理植入技术能够被该领域前沿先驱实验室之外更广泛的科研人员所掌握。
为实现这一目标，本方案旨在最大限度地减少微驱动植入中多个通常同等关键因素之间的权衡，这些因素包括灵活性、模块化、植入便捷性、稳定性、总体成本、与行为实验的兼容性以及探针的可重复使用性。目前可用的方法往往在其中某些方面表现优异，但会严重牺牲其他特性。例如，对于需要长期绝对植入稳定性的应用场景，最佳方案可能是将探针直接用水泥固定在颅骨上25。然而，这种方法也导致探针无法重复使用，且在记录质量不佳时无法重新定位记录位点，同时与标准化的植入定位不兼容。类似地，AMIE驱动器为探针的可回收植入提供了一种轻量化、低成本的解决方案，但它仅限于单个探针，并且在目标坐标的定位上存在限制17。而在另一端，一些 commercially available 的纳米驱动器（见表116,17,21,26,27,28,29,30）体积极小，可自由放置于颅骨上，并能最大化单只动物可植入的探针数量16。然而，与其他方案相比，它们成本高昂，要求实验人员具备高超的手术技能才能成功植入，且不允许探针重复使用。Vöröslakos 等人开发的微驱动器21，其轻量化版本也包含在本方案中，通过牺牲较小的植入体积，换取更佳的操作便捷性、更低的成本和探针的可重复使用性。
表1：啮齿类动物慢性探针植入常用策略的比较。可用性：微驱动装置是否为开源（供研究人员自行制作）、商业化产品，或两者兼具。模块化：集成式系统由一个或少数几个组件构成，彼此之间位置固定；而模块化系统允许在植入体制作完成后，自由调整探针/微驱动装置相对于保护结构（头帽/法拉第笼）的位置（例如在手术时）。模块化程度依据所列植入体的已发表信息或植入方案确定。头部固定：是：植入体设计中集成了用于头部固定的机制；X：植入体预留了空间，可方便地额外添加头板用于固定；否：植入体设计可能导致空间冲突，或需进行重大设计修改才能与头部固定装置配合使用。探针定位：受限：探针位置在植入体设计阶段即已限定；灵活：探针位置可在手术过程中进行调整。探针数量：可植入的探针数量。需注意，无论采用何种植入系统，在小鼠身上植入>2个探针均面临显著挑战。探针可重复使用性：理论上探针是否可重复使用。重量/体积：植入体的重量和体积大小。请点击此处下载该表格。
为了更无缝地协调这些不同的需求，DREAM 植入装置在 Vöröslakos 植入装置的基础上进行了设计21，但进行了若干根本性改进。首先，为减轻整体植入物重量，此处使用的微型驱动器采用机械加工的铝材而非3D打印的不锈钢制造，同时法拉第屏蔽罩也实现了微型化，根据头板材料的选择，整体重量减轻了1.2–1.4 g（见表2）。其次，围绕微型驱动器设计的头板具备集成的头部固定机制，可在实现快速且无应激的头部固定的同时，作为法拉第笼的基础结构，使神经记录的大多数潜在靶区均可被触及，并仅增加极小的重量。该固定结构的扁平形状以及无突出部分的设计，也确保了对动物视野或运动能力的影响降至最低（见图2A-C），明显优于以往系统31,32。与先前设计相比，固定在头板上的法拉第屏蔽罩和环也进行了重大修改。新设计在整个手术过程中无需任何临时调整（例如连接器位置的调整）或焊接操作，从而消除了可能导致植入物损坏以及植入物质量不可预测变异的潜在因素。相反，DREAM 植入装置提供了多种标准化的屏蔽罩环变体，允许将每个连接器置于四个预定义位置之一，从而最大限度地减少手术过程中的变异性和操作负担。最后，通过优化植入系统以实现探针回收，DREAM 植入装置使实验人员能够显著降低每个植入装置的成本和制备时间，因为微型驱动器和探针通常可一并回收、清洁并重复使用。
有关不同植入系统所带来权衡的更全面概述，请参见表1。尽管本文所述方法在某些方面（例如尺寸、稳定性或成本）通常无法与其他所有策略相比达到最佳性能，但其在所有这些参数上均处于较高水平，因而更易于适用于多种实验场景。
该方案中有三个方面需要根据每个具体应用场景进行特别调整：地线和参考电极的配置、微驱动装置的粘固技术，以及通过神经记录进行植入验证。首先，在植入地线和参考电极针时，目标是找到机械/电气稳定性与侵入性之间的最佳平衡点。例如，嵌入琼脂中的漂浮银丝虽然比骨螺钉侵入性更小33，但长期使用可能更容易松动。使用电极针并结合琼脂，既能确保稳定的电连接，又在插入过程中更易于控制，从而避免组织损伤。固定在颅骨上的地线电极针不易脱落，即使导线与针发生分离，由于植入针具有较大的表面积和良好的稳定性，通常也易于重新连接。
表2：DREAM植入物与Vöröslakos等人21所述植入物的组件重量比较。 请点击此处下载该表格。
其次，微驱动装置的固定通常应在将探针插入脑组织之前进行。这样可以防止在插入过程中，由于微驱动装置在立体定位仪上未完全固定而导致探针在脑内发生侧向移动。在用牙科水泥固定微驱动装置前，可短暂地将探针杆的尖端下放，以确认其与脑组织的接触位置，因为显微镜存在视差偏移，难以准确推断探针触碰到脑组织的位置。一旦确定了微驱动装置的位置，可在固定前选择用硅胶弹性体覆盖颅骨开窗区域，以防止水泥意外接触开窗部位；但不建议将探针穿过硅胶弹性体下放，因为硅胶弹性体残留物可能被带入脑组织，引发炎症和胶质增生。
第三，根据所采用的实验方案，术后立即进行测试记录可能有用，也可能无用。通常情况下，探针插入后立即记录到的神经元活动并不能直接代表慢性记录时的活动，原因包括探针周围短暂的脑组织肿胀和组织移动等 因素，这意味着插入深度以及动作电位波形均难以立即稳定。因此，即刻记录主要用于确认总体信号质量和植入物的完整性。建议在术后数天、待脑组织稳定后，再使用可移动的微型驱动滑块对探针位置进行精细调节。这样做还有助于避免探针每日移动超过 1000 µm，从而减少对记录位点的损伤，提高记录位点的长期可用性。
最后，用户可能希望调整该系统以同时记录多个目标位置。由于该系统具有模块化设计，用户在组装和布置各组件的相对位置方面具有较大的灵活性（见上文及补充图3和补充图4）。这包括可对系统进行改造，使水平延伸的穿梭装置能够安装在微型驱动器上，从而实现多个探针或大型多束探针的植入，也可同时植入多个独立的微型驱动器（见补充图3和补充图4）。此类改造仅需使用经过调整的冠状环，增加用于连接器/接口板/前置放大器的安装区域即可。然而，该设计的空间限制由动物模型决定，本例中为小鼠，因此相较于独立植入多个微型驱动器，将多个探针堆叠于单个微型驱动器上在占用空间方面更具优势。此处使用的微型驱动器可支持探针堆叠，因此实际限制仅在于能够满足动物模型所规定的空间和重量限制的前置放大器或连接器的数量。此外，还可使用间隔件进一步增加非垂直方向的安装与插入路径。
总之，本方案实现了探针的低成本、轻量化且重要的是可调节的植入，其微驱动设计还具有优先保障探针回收的额外优势。该方案解决了单次使用探针成本过高、手术与植入技术门槛较高，以及商用慢性植入解决方案往往难以适应特殊应用场景等问题。这些问题对已开展急性电生理研究的实验室构成了痛点，也对尚未开展电生理实验的实验室形成了阻碍。本系统旨在突破上述限制，促进慢性电生理研究的更广泛开展。
披露
TS、AN 和 MNH 是 3Dneuro B.V. 的联合创始人，该公司生产本方案中使用的开源微型驱动器和法拉第头冠。FB 和 PT 是 33Dneuro B.V. 科学顾问委员会的成员。FB 和 PT 担任该职位不获得任何经济报酬。
致谢
本工作由荷兰研究理事会（NWO；交叉计划 17619）资助 "高强度"，TS）并获得了欧盟第七框架计划（FP7/2007-2013）资助，项目编号为600925（Neuroseeker，TS，FB，PT），如 良好 来自马普学会。
材料
| 姓名 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
|---|---|---|---|
| 0.05" 焊接引脚插座 | Mill-Max | 853-93-100-10-001000 | |
| 1,1'-二十八烷基-3,3,3',3'-四甲基吲哚羰花青高氯酸盐（“DiI”；DiIC18(3)） | ThermoFisher | D282 | 用于更易进行组织学验证探针位置的亲脂性染料 |
| 粘性橡皮泥（Blu-Tack） | Bostik | 308590110 | 类似产品（例如Pritt品牌）可在文具店购买 |
| 琼脂 | Sigma Aldrich | A1296 | 用生理盐水配制以增强导电性 |
| 放大器（Miniamp-64） | Cambridge Neurotech | 微型可植入式放大器和数字化器。也可选用其他可植入式数字化器或可植入式Omnetics连接器 | |
| 镇痛乳膏（EMLA乳膏） | Aspen | 39699/0088 | 用于手术镇痛的乳膏，含丙胺卡因和利多卡因 |
| 角度间隔器 | 3DNeuro | 用于非垂直驱动安装的角度间隔器。开源设计，也可在 https://github.com/zero-noise-lab/dream-implant/ 获取 | |
| 蓝色LED光固化灯 | B.A. International | 818223 | 用于底漆聚合的固化光源，波长为420–480 nm |
| 骨蜡 | SMI | Z046 | 用于保护开颅部位和术后探针的蜡状物 |
| 丁丙诺啡 | Elanco Europe LTD | 401513 | 注射用丁丙诺啡溶液（0.3 mg/mL） |
| 铜网 | Dexmet | 3CU6-050FA | 用于对探针和开颅部位进行电学和物理屏蔽的铜网 |
| 氰基丙烯酸酯胶（Loctite） | Loctite | 1363589 | 氰基丙烯酸酯凝胶胶水 |
| 牙科水泥（SuperBond C&B） | Sun Medical | K058E | 牙科水泥（SuperBond） |
| 脱毛膏（Veet） | Veet | 310000091434 | 用于清除手术区域周围毛发的脱毛膏 |
| 恩诺沙星（Baytril） | Elanco Europe LTD | 00879/4117 | 注射用恩诺沙星溶液（25 mg/mL） |
| 法拉第笼冠 | 3DNeuro | 3D打印的可植入保护笼。开源设计，也可在 https://github.com/zero-noise-lab/dream-implant/ 获取 | |
| 法拉第环 | 3DNeuro | 用于法拉第笼的3D打印可植入保护环。开源设计，也可在 https://github.com/zero-noise-lab/dream-implant/ 获取 | |
| 止血海绵 | SMI | ZHG101010 | 可吸收明胶止血海绵 |
| 热缩管 | HellermannTyton | TA32-9/3 BK | 用于制作软头镊子的热缩管 |
| 碘液 | Braunol | 9322507 | 水溶性聚维酮碘溶液 |
| 安乃近（Novalgin） | Sanofi-Aventis Gmbh | 4527098 | 注射用安乃近（500 mg/mL） |
| 安乃近（Novalgin） | Sanofi-Aventis Gmbh | 1553758 | 安乃近溶液 |
| 微驱动装置（R2Drive） | 3DNeuro | 带有可移动滑块的可回收金属微驱动装置。开源设计，也可在 https://buzsakilab.github.io/3d_print_designs/ 获取 | |
| 矿物油 | Sigma-Aldrich | M5310-100ML | 用作溶剂以制备开颅保护凝胶的油 |
| 无脱落擦拭巾（Kimtech） | Kimtech | 7552 | 无脱落擦拭巾 |
| 底漆 | Bisco | B-7202P | 通用颅骨粘合剂，防止湿气侵蚀水泥，并为水泥构建提供牢固基础 |
| R2Drive固定架 | 3DNeuro | 用于安装R2Drive的立体定位附件。开源设计，也可在 https://buzsakilab.github.io/3d_print_designs/ 获取 | |
| 自粘性包扎带 | 3M | VB050 | 术后用于保护植入物的包扎带 |
| 硅探针（H2） | Cambridge Neurotech | 可长期植入的线性硅探针，含32个通道。也可使用其他类型的探针 | |
| 硅橡胶弹性体（Duragel） | Cambridge Neurotech | 硅橡胶弹性体 | |
| 硅胶敷料（Kwikcast） | WPI | KWIK-CAST | |
| 银导电环氧树脂 | MG Chemicals | 8331D-14G | 银环氧树脂 |
| 5号Dumont镊子 | FSTools | 11251-10 | 用于提起骨瓣的小型镊子 |
| 不锈钢丝，特氟龙涂层 | Science Products GmBH | SS-3T | 接地线 |
| 立体定位仪（RWD） | RWD | 68803 | 用于小鼠手术的立体定位仪 |
| Tergazyme | Alconox | 1304 | 一种可用于清洁探针的酶类清洗剂 |
| 双组分快固环氧树脂 | Gorilla | EP3 | 用于永久粘合DREAM植入部件的环氧树脂 |
| Vannas弹簧剪（圆柄） | FSTools | 15403-08 | 0.075 mm直头弹簧回弹式兽用剪刀 |
| 兽用氰基丙烯酸酯胶（Vetbond） | 3M | 70-0068-5256-3 | 兽用氰基丙烯酸酯胶 |
参考文献
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重印与许可
勘误
Formal Correction: Erratum: The DREAM Implant: A Lightweight, Modular, and Cost-Effective Implant System for Chronic Electrophysiology in Head-Fixed and Freely Behaving Mice
Posted by JoVE Editors on 3/31/2026. Citeable Link.
This corrects the article 10.3791/66867
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