本研究提出了一种可在猪模型中进行重复慢性皮层记录的可扩展、可靠且可重复的方法。该方法适用于神经科学的多个领域,包括疼痛研究和神经系统疾病诊断。
方法文章
本研究提出了一种可在猪模型中进行重复慢性皮层记录的可扩展、可靠且可重复的方法。该方法适用于神经科学的多个领域,包括疼痛研究和神经系统疾病诊断。
皮层记录对于提取神经元信号至关重要,可为多种应用提供信息,包括脑机接口和疾病诊断。不同应用对记录技术有特定要求,通常选择侵入式方案进行长期记录。然而,侵入式记录方法面临设备失效和不良组织反应的挑战,这会损害长期信号质量。
为了在最小化设备故障和组织反应相关风险的同时提高慢性皮层记录的可靠性和质量,我们开发了一种颅窗技术。在本方案中,我们报告了在幼年长白猪中植入和打开颅窗的方法,该方法可便于将硬脑膜上电皮层图(ECoG)阵列临时放置于硬脑膜表面。我们进一步描述了如何利用颅窗技术记录皮层信号。颅窗的访问可重复进行多次,但建议在植入手术与后续访问手术之间至少间隔2周,以促进组织恢复和愈合。
颅窗方法成功减少了常见的电极失效模式和组织反应,实现了长期稳定且可靠的皮层记录。我们以记录初级躯体感觉皮层的事件相关电位(ERPs)为例进行了说明。该方法提供了高度可靠的记录结果,还可用于评估干预措施(高频刺激)对ERPs的影响。由于未出现明显的设备故障,且使用的电极数量较少(2个电极,43次记录,16只动物),表明该方法具有更高的研究经济性。尽管电极植入需要进行轻微的外科手术操作,但该方法具有降低感染风险和改善动物福利等优势。
本研究提出了一种可扩展、可靠且可重复的慢性皮层记录方法,在神经科学的多个领域(包括疼痛研究和神经系统疾病诊断)具有潜在应用价值。未来的技术改进可能将其应用扩展至其他物种以及其他记录模式,例如皮层内记录和成像技术。
通常,皮层记录的目的是从大脑神经元信号中提取信息。这些信息可用于多种用途——控制外部设备、通信、疾病诊断或康复治疗1,2,3,4。每种应用对所需信息内容、空间分辨率以及可接受的侵入程度都有独特的要求。因此,自1929年脑电图被发现以来,已开发出一系列具有不同侵入程度和空间分辨率的记录方法5。
通常,这些方法可分为脑电图(EEG)、皮层脑电图(ECoG)和皮层内记录。EEG 是一种非侵入性记录方法,可从全脑捕捉神经振荡和事件相关电位(ERPs)。然而,由于其空间分辨率较低,该方法在精确定位脑活动来源方面能力有限。ECoG 是一种更具侵入性的方法,电极被放置于硬脑膜上或下,通常覆盖皮层较小区域。它具有更高的空间分辨率,能够记录事件相关电位(ERP)和皮层表面局部场电位(LFP)。因此,该方法可更精确地定位脑活动的来源,在例如确定局灶性癫痫起源方面具有重要帮助。皮层内记录是最具侵入性的记录方法,能够记录来自大脑表层或深层单个神经元的动作电位,以及电极周围神经元群体产生的局部场电位(LFP)。这些信号具有极高的空间分辨率和信息含量,但仅由有限数量的神经元(每通道1-10个神经元)产生6。
为了长期(数月到数年)从大脑中提取信息,脑机接口必须保持稳定和可靠,以确保所获取的信号在整个记录期间持续代表相同的信息。脑电图(EEG)记录需要频繁更换电极,导致其可靠性从极低到极高不等7,8,9,10。因此,对于长期记录,通常选择皮层脑电图(ECoG)和皮层内记录方法。然而,这些方法均要求记录电极及其周围组织的状态在长时间内保持稳定。尽管电极通常保持在相同位置,但电极-组织界面可能因组织反应或电极失效模式而发生变化11,12,13,14。组织反应包括神经元死亡、出血、生物污染、异物反应、胶质增生、包膜形成、感染、脑膜炎以及脑膜外露15。这些反应会损害电极的记录能力12,13。常见的电极失效模式包括绝缘部分的分层或泄漏、电极表面涂层的剥落或开裂、导线损伤以及电极移位11,12。
为了克服电极失效模式,我们考虑了一种临时性电极放置方案的可行性,该方案同时解决了与组织反应相关的诸多挑战,即神经元死亡、异物反应、胶质增生、包裹形成以及脑膜外突。此外,为获得可靠且可重复的神经元记录,必须实现电极位置的一致性。由于电极以硬膜外方式放置,距离神经组织仅数毫米,因此电极的移动幅度不应超过1 mm。颅窗的设计尺寸旨在防止电极放置过程中的过度移动。通过颅窗技术的开发,我们旨在提高长期信号的可靠性与质量,并消除电极失效的风险。
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本方案已获得丹麦食品、农业和渔业部下属的丹麦兽医和食品管理局批准(方案编号:2020-15-0201-00514)。共有16头雌性长白猪接受了相关操作。动物到达实验设施时体重约为20 kg,年龄约为2个月。植入手术时体重约为30 kg,研究结束时体重为40–60 kg。操作包括植入手术、通路手术和终末手术(图1)。

图1:实验操作时间线。进入手术(第二阶段)可重复多次。建议每次手术之间至少间隔2周,以确保动物在手术间期充分恢复并完成伤口愈合。缩写:ERP = 事件相关电位。请点击此处查看该图的放大版本。
1. 植入手术(第一阶段)
注意:植入一个3D打印的聚乳酸(PLA)颅窗(图2),以方便对猪的初级躯体感觉皮层进行重复记录。记录尺神经电刺激诱发的事件相关电位(ERPs)。手术及伤口闭合方式应确保后续可再次接触并关闭颅窗。

图2:颅窗设计。(A)颅窗的侧视图,显示固定在颅骨上的壁高和底座。(B)顶视图,显示颅窗的直径、螺钉孔、盖帽空间和窗口。颅窗盖帽为直径22 mm、高1 mm的圆柱体,可精确嵌入盖帽空间。请点击此处查看该图的放大版本。

图3:颅窗植入过程。(A)在无菌铺巾前,预先确定并标记猪头部前囟点的预期位置,因为之后该点可能难以辨认。(B)皮肤切开后,使用剪刀松解无血管的皮下组织。(C)在颅骨上钻出一个直径为15 mm的孔,并使用咬骨钳去除边缘。冠状缝和矢状缝的位置已标出。(D)将颅窗植入并用螺钉固定。请点击此处查看该图的放大版本。

图 4:外周导线的植入。(A)将两根23 G针头插入皮肤,并通过这些针头插入Cooner导线。(B)移除针头,导线保留在皮肤内,并使用鳄鱼夹连接至刺激器。请点击此处查看该图的放大版本。

图 5:皮层记录装置示意图。(A)在植入手术过程中,将电极阵列置于硬脑膜上,头端固定装置和微操作器位于无菌套管内,此时切口更长且位置更偏外侧。(B)在通路手术中记录装置的特写,此时切口位置更偏内侧。(C)接地装置示意图,其中所有ECoG上的接地和参考导线均通过U型连接器短接并连接至颅周螺钉。(D)在通路手术中头端和头端固定装置的特写。µECoG被放置于硬脑膜上。缩写:ECoG = 皮层脑电图;µECoG = 微皮层脑电图。请点击此处查看该图的放大版本。

图6:缝合技术。(A)皮下埋入式垂直褥式缝合技术示意图。(B)连续皮内缝合技术示意图。请点击此处查看该图的放大版本。
2. 手术入路(第二阶段)
注意:2-4 周后,打开颅窗以对 S1 区皮层信号进行随访记录。手术及伤口闭合操作需再次以可重复打开和关闭颅窗的方式进行。
3. 末期手术(第三阶段)
注意:2-4 周后,打开颅窗以对 S1 区皮层信号进行随访记录。重复上述 2.2-2.5 步骤,然后执行步骤 3.1。
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采用颅窗技术,在16只动物中进行了43次皮层信号记录。动物术后恢复良好,研究期间均成对饲养,并依据福利评估方案进行每日监测 补充表 S1所有动物在各个时间点的评分均为0分,表明其福利状况极佳。 图7 表明窗口确实放置在猪大脑皮层的S1区域。通常可在硬脑膜上观察到一些瘢痕组织 体内 和死后(图7A),但尸检结果显示,它从未累及下方的皮质组织(图7B),在所有动物中均显示健康状态,且与对侧S1区域相似。

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该技术发展的意义在于消除电极失效模式、降低组织反应,从而提高侵入性皮层记录技术的可靠性。在本研究过程中未出现任何电极失效情况,整个研究共使用了两个ECoG阵列,涵盖了16只动物和43次记录会话。这对科研经济性具有额外的积极影响。若采用传统的完全植入方法12,26,27,在假设无设备失效的前提下,至少需要16个ECoG阵列。然而,失效模式和组织反应仍是颅内脑记录技术广泛应用所面临的重要挑战11,12,13,28,29。本研究显著减少了电极数量,从而同时降低了慢性神经科学研究的成本与风险。
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作者声明无利益冲突。
作者感谢奥尔堡大学医院实验动物设施的动物饲养员和技术人员。神经可塑性与疼痛研究中心(CNAP)由丹麦国家研究基金会(DNRF121)提供支持。图6 和 图8 使用 BioRender 制作。
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| 姓名 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
|---|---|---|---|
| 颅窗植入术 | |||
| 手术刀 | 一次性,10号刀片 | ||
| 镊子 | |||
| 纱布 | |||
| 电灼器 | |||
| 骨膜剥离器 | 扁平,10 mm 宽度 | ||
| 韦特兰纳拉钩 | 3x4 齿,钝头,16.5 厘米 | ||
| Midas Rex Legend EHS 触控笔式外科钻系统 | Medtronic Powered Surgical Solutions,美国沃思堡 | ||
| 细钻头传奇球钻头 | Medtronic Powered Surgical Solutions,美国沃思堡 | 7BA40F-MN 和 7BA60F-MN | MedNext 4 和 6 毫米头端直径 |
| 钻头无菌保护罩 | |||
| 注射器 | 5 ml | ||
| 生理盐水 | |||
| 抽吸 | |||
| 尺子 | |||
| 棉签 | |||
| 刮除器 | 直柄钳口,15 厘米,3 × 20 毫米钻头尺寸 | ||
| 2.5 mm 手钻和手柄 | |||
| 蝴蝶型输液器 | |||
| 6枚M3螺钉,长度为6-14 mm | |||
| 螺丝刀 | |||
| 三种尺寸的3D打印颅窗(4、5和6毫米深度)及盖帽 | |||
| 去隔离U形连接器 | |||
| 鳄鱼夹 | |||
| 庆大霉素-胶原可吸收抗生素海绵 | |||
| VYCRIL 可吸收缝合线 | Ethicon | 2-0 26 毫米圆形针身 | |
| Monocryl 不可吸收缝线 | Ethicon | 3-0 24 毫米反向切割 | |
| 持针器 | |||
| 剪刀 | |||
| 局部用粘合性组织胶 | Leukosan | ||
| 外周导丝植入 | |||
| 两根部分未绝缘的Cooner导线 | |||
| 注意:导线中间和一端有1-2厘米的裸露部分 | |||
| 两根23号针头 | |||
| 纱布 | |||
| 由运行 MC_stimulus 程序的计算机控制的可编程刺激器 | 德国赖特林根,多通道系统公司 | STG4008 | |
| 两个鳄鱼夹连接器 | |||
| 皮层记录 | |||
| 磁力微操作仪用金属板 | |||
| 磁性微操作仪支架 | |||
| 显微操作仪 | |||
| 头戴式装置支架 | |||
| 32通道ZIF夹式头戴装置 | TDT,美国佛罗里达州阿拉楚阿 | ||
| 32通道微电皮层图(micro-electrocorticography)µECoG阵列 | Neuronexus,美国安娜堡 | E32-1000-30-200 | |
| TDT 录音设备,包括前置放大器 SI8、数据处理器 RZ2 和工作站 WS8 | TDT,美国佛罗里达州阿拉楚阿 | ||
| 麻醉 &麻醉与镇痛 | |||
| Zoletil 50 Vet | Virbac,卡罗斯,法国 | ||
| 隆朋(Zxylacin) | 礼来动物保健公司,蒙海姆;德国 | ||
| 托力达(布托啡诺) | Intervet International,荷兰博斯梅尔 | 如今使用另一种配方(dolorex) | |
| Ketaminol | Intervet International,荷兰博斯梅尔 | ||
| 丙泊酚 | Baxter Holding,乌得勒支,荷兰 | ||
| 芬太尼 | B. Braun,德国美尔松根 | ||
| 美达佳 | 勃林格殷格翰动物保健公司,德国英戈尔施塔特 | ||
| Noromox | Scanvet 动物健康公司,弗雷登斯堡,丹麦 | ||
| 戊巴比妥 | LeVet,荷兰奥德瓦特 |
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