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方法文章

评估麻醉大鼠外周疼痛阻滞的电生理学方法

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DOI：

10.3791/68740

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2025年11月21日

 ,  ,  ,  ,  ,  , 
1Department of Physical Medicine and Rehabiliation, The MetroHealth System, 2Department of Physical Medicine and Rehabilitation, Case Western Reserve University School of Medicine

本文内容

摘要

在此，我们介绍一种用于评估急性麻醉条件下外周神经中感觉轴突激活与阻滞的方法， 体内 使用两种可区分神经纤维亚型活动的脊髓电生理测量方法进行大鼠实验：局部场电位和单个宽动态范围神经元记录。

摘要

in vivo 电生理记录可从大鼠脊柱腰段获取，用于研究后肢感觉神经信号的激活，以及阻断上行痛觉信号的治疗干预措施的有效性。

本文介绍了两种互补的电生理信号的手术操作（椎板切除术和坐骨神经暴露）、数据采集与分析方法：局部场电位记录和广动力范围单神经元记录。这两种方法均基于神经纤维在电刺激脉冲下的传导速度，以区分不同神经纤维亚类的激活状态。

局部场电位（LFP）可以区分A α/β和C类神经纤维，但无法检测Aδ纤维的活动。LFP可提供关于坐骨神经整体激活状态的信息。在使用J型袖带式双极电极对坐骨神经进行直接电刺激后，计算对应于各成分的两个波谷的曲线下面积。

宽动态范围（WDR）单神经元记录可评估坐骨神经激活中特定神经元亚群的活动，并能区分Aα/β、Aδ和C类纤维。电刺激可直接施加于坐骨神经（类似于局部场电位记录），或通过置于后肢足底表面的针电极进行。此类高频信号可产生信噪比较高的动作电位尖峰。在预设潜伏期时间窗内的尖峰计数反映了不同类型纤维的活动水平。

迄今为止，这些技术已被用于评估三种物质的时间特性 不同的疼痛阻滞方式：使用定制的碳分离神经接口电极（CSINE）进行直流电神经阻滞、千赫兹频率交流电神经阻滞，以及使用830 nm激光进行光生物调节。该手术准备已用于持续长达5小时的神经阻滞干预。

引言

在疼痛信号到达脊髓之前直接阻断外周神经中的信号传导，有望应用于多种疼痛治疗，例如膝关节骨关节炎和截肢后幻肢综合征1,2,3,4。总体而言，此类疼痛治疗干预可减少或消除当前药理麻醉剂和镇痛剂所引起的各种全身性副作用1,2。

可通过记录腰段脊髓的两种互补性电生理信号来评估外周感觉激活：局部场电位（local field potentials, LFP）3,4 和广动力范围（wide dynamic range, WDR）单神经元记录5,6,7。LFP 可从脊髓背柱记录获得，用于测量坐骨神经整体的激活状态；LFP 反映了大量细胞的电活动，包括树突中的兴奋性突触后电位，以及从胞体和轴突末梢记录到的动作电位。LFP 已被用于研究脊髓神经可塑性3 以及电刺激脊髓对疼痛的缓解作用8。通过分析 LFP 信号，可分别测量有髓鞘的 Aα/β 纤维以及无髓鞘的 C 纤维的振幅3。WDR 神经元存在于 L4 和 L5 脊髓节段的背角中，具有多模态感受特性，能够接收并忠实地传递来自所有亚类感觉神经元的输入信号，包括伤害性 Aδ 和 C 纤维，以及非伤害性 Aα/β 纤维7,9,10,11。因此，根据感觉刺激的潜伏期，WDR 神经元的活动可提供关于外周感觉活动的详细信息5。此类记录此前已被用于评估使用直流电（direct current, DC）9 和千赫兹频率交流电（kilohertz frequency alternating current, KHFAC）10 所引起的感觉阻滞。这两种技术均利用记录信号的潜伏期来区分不同亚类的外周感觉神经纤维，原因在于不同亚类神经纤维具有不同的传导速度12。这些信号具有互补性：LFP 记录反映的是整个坐骨神经的活动，但仅能区分 Aα/β 与 C 纤维，无法检测 Aδ 纤维13,14；而 WDR 记录反映的是坐骨神经纤维中某一亚群的活动，却能够区分 Aα/β、Aδ 和 C 纤维7,9,10,11。这一局限性可通过使用多触点电极阵列同时记录多个 WDR 神经元活动加以克服15。

不同的外周神经纤维亚型传递不同类型的躯体感觉或运动信号。例如，较粗的有髓鞘感觉纤维传导触觉信号，而较细的无髓鞘纤维则传导痛觉信号16,17,18。在评估神经阻滞技术时，了解主要受影响的神经纤维亚型至关重要，因为在临床上，若能在阻断痛觉信号的同时保留触觉感知，将具有显著优势。此外，外周神经阻滞还表现出复杂的时序特性。例如，局部麻醉药利多卡因最初仅阻断无髓鞘的C纤维，随后才逐步阻断有髓鞘纤维19。在利多卡因完全阻断所有神经纤维后，不同纤维类型在阻滞恢复过程中也表现出差异20。本文所述的电生理技术可使研究人员阐明外周神经阻滞方法对各类感觉神经纤维亚群的时间动态影响。迄今为止，我们已应用该方法评估了直流电刺激阻滞21,22、千赫兹频率交流电刺激阻滞23，以及利用近红外波长的光生物调节技术24,25。该技术同样适用于研究其他作用于外周神经局部的干预手段，例如冷刺激、热刺激和化学物质注射26,27,28。

对外周神经疗法的评估通常采用炎症性29或神经病理性疼痛30的疾病模型，并结合机械性和热性痛觉过敏的行为学测试31。本文所述的电生理学方法可量化与疼痛感觉减轻相关的神经活动变化。此外，这些方法还能提供有关外周神经阻滞可能产生的不良效应的有用数据，例如参与触觉的大直径感觉纤维被阻滞的情况。

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方案

本涉及动物实验的方案已获得凯斯西储大学（Case Western Reserve University，CWRU）机构动物照护与使用委员会（IACUC）的批准。凯斯西储大学是一所经AAALAC认证的机构，遵守适用的联邦、州和地方法律法规以及机构政策。我们研究团队已由凯斯西储大学工作人员进行培训并获得认证。在执行经IACUC批准的方案时，我们遵循公共卫生服务政策以及《实验动物照护与使用指南》（第8版）32。本操作为终末性实验，计划试验完成后或脊髓电生理信号出现退化时，将依据IACUC批准的方案实施安乐死。

注意：本文所述的通气、麻醉及其他药物给药参数已成功应用于体重范围为 350–500 g 的成年大鼠（无论性别）。 正压通气和体温支持可使动物维持长达 6 小时，且心率和外周灌注良好。该时间长度对于在多次随机试验期间采集脊髓电生理数据是必要的。经过练习，手术过程可在 90 分钟内完成。

1. 麻醉与通气

  1. 在密封的丙烯酸箱中使用 5% 异氟烷诱导麻醉。当大鼠完全失去意识后，将其转移至鼻罩，并将异氟烷浓度调节至 1–3% 以维持适当的麻醉深度。在双眼涂抹眼用软膏，防止角膜干燥。使用电动剪毛器剃毛，并 去除从髂嵴至膝关节的大鼠背部及左后肢的毛发。通过夹趾反射和眨眼反射确认麻醉深度，并每 15 分钟监测一次麻醉状态。
    注意：当自主呼吸频率达到每分钟 15–30 次时，表明大鼠已准备好进行气管插管。在整个手术过程中提供并维持体温支持。
  2. 将大鼠置于仰卧位，使用 14 G 血管套管（对于体型较小的动物，16 G 套管可能更合适）的套管部分和带有 Miller 0 或 00 号刀片的喉镜进行气管插管。
  3. 为改善声带的可视性，可使用无损伤镊子轻轻将舌头抬起。通过胸廓起伏和通气频率（与胸壁抬升频率一致）验证插管是否成功。
  4. 采用正压通气，通气频率设为 60 次/分钟，潮气量为 3–5 mL/次，同时维持异氟烷浓度在 1%–3%。
  5. 使用 22 G 静脉留置针穿刺尾侧尾静脉。为提高可视性，可用温水和 70% 异丙醇清洁尾部侧面的尾静脉。
  6. 缓慢注入约 1 mL 无菌生理盐水，同时仔细观察液体流经导管的情况。若出现水肿，则提示导管位置不正确。
  7. 使用聚乙烯导管将已置入的静脉导管连接至注射泵中的罗库溴铵溶液（2 mg/mL）注射器。在准备进行脊髓记录前，不要启动输注。

2. 手术

注意：所有外科手术均应在小型动物立体定位仪的底板上进行。其余立体定位设备可随着手术的进行分阶段组装。

  1. 脊柱手术
    1. 对于惯用右手的外科医生，应将大鼠的尾部置于右侧，头部置于左侧。惯用左手的外科医生则可选择将大鼠头部置于右侧。
    2. 在大鼠左侧腹部触摸到最尾端的肋骨，并沿其走向至脊柱。使用手术刀，在此点为中心做一条长约60 mm的正中切口。
    3. 使用手术刀从棘突上刮取组织。使用剪刀暴露肋骨并定位最尾端的肋骨。
    4. 使用钝性分离技术（将剪刀闭合后插入，再张开剪刀以分离组织），通过视觉和触觉确认尾侧肋骨。此步骤使用手术显微镜（3.5倍至45倍放大倍数）。尾侧肋骨连接于第13胸椎（T13）的头侧部分。使用永久性标记笔标记T13棘突。
    5. 使用脊柱夹在 T11 和 L4 椎体处固定脊柱。操作时，采用钝性分离在每个椎体两侧分别创建一个囊袋。
    6. 将两个带底座的垂直立柱滑入立体定位平台的T型导轨中，分别与T11和L4椎骨对齐，但暂不拧紧。将椎骨夹的圆柱形杆插入立柱夹中，但暂不拧紧。
    7. 从T11开始，用有齿镊夹住脊柱，在T13椎骨两侧约45°位置将脊柱钳的钳口插入椎骨两侧，收紧脊柱钳的钳口，然后将脊柱钳的杆部固定在支柱夹中。对L4椎骨重复上述操作。
    8. 将两个脊柱夹钳同时抬高，以托起脊柱，使大鼠躯干通过脊柱夹钳得到支撑（图1A这可减少电生理记录中与呼吸相关的运动伪影。
    9. 使用单根缝线在脊柱侧方肌肉表面标记 T13 和 L1 棘突的头尾位置。
      注意：在椎板切除术中，棘突解剖标志将被去除。
  2. 椎板切除术
    1. 暂时放置U形立体定位仪框架，使水平横杆可用于在此精细操作过程中支撑双手的掌根。图1B应在坐骨神经手术前将其移除。
    2. 使用有齿镊、剪刀及手术刀刮除T12至L3椎板表面的肌肉和结缔组织。在手术显微镜下，使用Friedman-Pearson咬骨钳切除L2至T13的椎板。
    3. 首先，将咬骨钳尽量保持水平位置，从L2与L3重叠处的尾侧部分小块咬除。将椎板切除术向头侧延伸，以暴露脊髓中线，注意尽量减少对脊髓的压力，并定期清除咬骨钳中的骨碎片。
    4. 最后，在中线两侧各向外侧延伸2 mm进行椎板切除术。使用精细镊子和弹簧剪去除暴露脊髓上的硬脑膜。
    5. 在进行任何切割之前，先将硬脑膜 tent 起来。第一次切开后，会有少量脑脊液从硬脑膜流出。用拧成条状的无绒纸巾轻轻吸去液体，然后再移除剩余的硬脑膜部分。
    6. 用一片浸有生理盐水的纱布覆盖椎板切除部位，直至电生理记录阶段。
  3. 坐骨神经手术
    1. 取下立体定位U形架以接触动物腿部。使用手术刀在大腿中部水平做切口，暴露坐骨神经。图1C）。使用钝性解剖法清除神经周围的结缔组织。暴露神经的长度取决于是否对神经进行电刺激。
    2. 将神经阻滞装置置于暴露的神经旁。确保刺激电极和神经阻滞装置均位于坐骨神经分出胫神经、腓肠神经和腓总神经的分支点近端33更换立体定位仪框架并安装立体定位仪臂，以准备进行电生理记录（图1D).
    3. 对WDR神经元记录，可在后肢足底表面进行刺激，或使用神经套电极直接刺激坐骨神经。对于局部场电位（LFP）记录，应通过直接神经刺激进行，因为通过足部刺激激活会导致C纤维切迹过于弥散而难以检测。
    4. 如果将感觉刺激直接施加于坐骨神经，请将自制的双极铂金J型袖状电极放置于神经周围34，暴露接触面积为1 mm × 3 mm（可定制类似神经套管电极，定制厂商包括MicroProbes for Life Science，Gaithersburg, MD，或World Precision Instruments，Sarasota, FL）。
    5. 为实现最有效的直接神经刺激，应确保电极放置于坐骨神经分出胫神经、腓肠神经和腓总神经的分支点近端。33.
    6. 对于足底刺激，将两根13 mm的不锈钢针状电极插入5th 以及4之外th 靠近足底表面的脚趾

3. 电刺激

  1. 若使用神经套管刺激，开始系统性输注罗库溴铵溶液（2 mg/mL，输注速率为 1-1.4 mL/h）。罗库溴铵的系统性输注应在 30-60 秒内起效。观察后肢足垫是否出现刺激相关运动，并根据需要调整输注速率，以确保完全消除所有运动。
  2. 使用双相矩形隔离脉冲刺激器，对足底表面或坐骨神经施加电流控制的电刺激，刺激参数如下：脉冲宽度 1-5 ms，脉冲频率 0.1-0.2 Hz，幅值 1-10 mA 峰峰值。
  3. 在后续章节所述的电生理记录过程中，调整刺激参数，以确保对所有纤维亚型实现最大程度的刺激。
  4. 刺激器具有一个独立于电流控制刺激脉冲的触发输出信号。将此信号连接至数据采集设备，以实现电生理数据与刺激脉冲的同步。详见下一章节的进一步说明。

4. 电生理记录

  1. 将皮下注射针头（21 G，1½ 英寸）平行于脊柱插入脊柱两侧的肌肉中。将接地针连接至每个头架的金属外壳。
  2. 将参考针连接至每个头架的参考输入端。放大器上的每个8通道均配有独立的BNC输出端口，连接至数据采集设备上独立的模拟-数字转换通道。
  3. 连续对信号进行数字化处理（采样频率为20 kHz），并使用Spike2软件显示。使用BNC电缆，将隔离式脉冲刺激器上的触发脉冲输出端（标为“TRIG OUT”）连接至数据采集设备上的一个数字输入通道。
  4. 在软件中设置触发通道以记录事件。这将允许分析相对于每次电刺激时间的局部场电位（LFP）或广动力范围（WDR）信号。
    注：LFP和WDR记录可使用相同的定制微电极阵列（1×8多电极阵列，电极杆间距500 µm，阻抗1 MΩ，定制制作）完成。信号类型之间的主要差异在于插入深度和放大器带通滤波器设置。该阵列通过一个定制的3D打印连接器固定并连接至立体定位仪（图2A）。然而，也可使用市售替代产品（图2B，标准电极夹 [材料表]）。
  5. 对于LFP记录，将阵列沿头尾方向插入，使最前端的电极与标记T13棘突的缝合线齐平，尽量靠近中线但不损伤中线血管。最强信号通常出现在脊髓表面至300 µm深度之间。
  6. 将放大器的带通滤波器设置为10–100 Hz，增益为1,000倍。添加60 Hz陷波滤波器（或根据地理位置使用50 Hz）以消除市电噪声。阵列各通道的信号强度质量可能不同。选择最佳信号用于后续分析。
  7. 广动力范围（WDR）神经元分布在脊髓腰膨大区域的背角，深度为600–1200 µm，距中线外侧200–800 µm，位于刺激同侧。将放大器的带通滤波器设置为300–10,000 Hz，增益为10,000倍。此类记录也应使用陷波滤波器，尽管市电噪声通常已被带通滤波器消除。
  8. 在观察电生理信号的同时调整刺激参数。调节刺激幅度和脉冲宽度，以确保所有神经纤维亚型均达到最大激活。
    注：有髓大直径纤维（Aα/β）的激活阈值最低，其次为有髓小直径纤维（Aδ）。无髓C纤维需要更高的刺激脉冲宽度和幅度，才能通过电刺激引发动作电位。
  9. 从1 ms的脉冲宽度开始，逐步增加刺激幅度，直至观察到信号的所有成分。若高阈值的C纤维信号仍不可见，则增加刺激脉冲宽度。
  10. 对于LFP记录，观察短潜伏期、低阈值的A纤维反应（40–100 ms之间）以及长潜伏期、高阈值的C纤维反应（150–350 ms之间）（图3B）3,8。
  11. 对于WDR记录，使用以下刺激后潜伏期识别神经纤维亚型：Aα/β：0–25 ms，Aδ：25–100 ms，C：100–500 ms（图3C）5,6,7。

5. 外周神经阻滞

  1. 使用碳分离神经界面电极（CSINE）21，对坐骨神经施加 0.1–5 mA 的阴极直流电流，电极位置位于刺激套管近端（如适用）。局部场电位（LFP）和广动力范围（WDR）记录的示例阻断试验结果见图4和图5。

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结果

采用本方案生成的数据可用于评估感觉神经纤维亚类的阻滞相对程度。同时，还可评估阻滞的时间特性，包括阻滞诱导速率以及阻断刺激停止后的恢复速率35。对于局部场电位（LFP）测量，通过计算对应于目标纤维类型特定时间段内曲线下面积来确定纤维的激活情况。在图4中，对坐骨神经施加直流电持续32秒以阻断神经传导。A纤维和C纤维的阻滞以大致相同的速率发生，表现为两种纤维类型的曲线下面积相较于基线均有所减少。在完全阻滞时关闭阻断电流，随后可评估每类纤维的阻滞恢复情况。在此示例中，C纤维约在5分钟内恢复，而A纤维则需要更长时间才能完全恢复，大约为17.5分钟。

分析WDR可以更详细地揭示阻断刺激对神经纤维亚型特异性特性的影响。图5显示，潜伏期较长的C纤维比潜伏期较短的C纤维需要更长时间才能被阻断，但恢复速度更快。这一现象的潜在意义仍有待确定。

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讨论

该方法描述了两种互补的电生理信号的采集过程，可用于评估潜在治疗干预措施阻断外周神经感觉信号传导的有效性。

局部场电位（LFP）可通过高阻抗（1 MΩ）微电极从脊髓背柱记录获得。它们用于测量坐骨神经的整体激活状态；LFP代表了大量细胞的反应，包括树突中的兴奋性突触后电位，以及从胞体和轴突末梢记录到的动作电位36,37。LFP已被用于研究脊髓神经可塑性3以及电刺激脊髓所产生的镇痛效应8。LFP信号可对有髓鞘的大直径Aα/β纤维和无髓鞘的C纤维的反应幅度进行量化分析3。宽动态范围（WDR）单神经元记录则能更详细地反映不同类型神经纤维的激活情况。

广动态范围（WDR）神经元位于脊髓L4和L5节段的背角。这些神经元具有多感受性，能够稳定地响应所有亚型感觉纤维的输入，包括伤害性Aδ...

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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神经疾病与中风研究所R01NS116009项目资助。

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材料

本文使用的材料清单
姓名公司目录编号评论
1 × 8 多通道电极阵列，电极杆间距为 500 µm Microprobes定制产品定制多通道微电极阵列 
14 G 血管导管Bencton DickinsonSKU: 381164, GTIN: 382903811649
8 通道生物放大器World Precision InstrumentsISO-DAM8A前置放大头
AmScope SM-6T 系列三目变倍体视显微镜，3.5–45× 放大倍数，带关节臂和环形光源AmscopeSM-8TW2-144S手术显微镜
数据采集设备 Cambridge Electronic DesignPower1401-3A
Dumont #5 镊子Fine Science Tools11251-20
Friedman-Pearson 咬骨钳（1 mm 杯口尺寸）Fine Science Tools16021-14
哈佛仪器呼吸机Harvard Apparatus Model 683
异氟烷，USPPiramel Critical Care66794-017-25
喉镜Sarnova HC301-B802
Miller 00 型喉镜片Sarnova HC301-B5100-20
成对皮下针电极RhythmLinkRLSND121-1.013 mm 不锈钢针状电极 
罗库溴铵，USPSolco43547-530-10
Spike2Cambridge Electronic Design
方波隔离脉冲刺激器 AM-SystemsModel 2100双相矩形隔离脉冲刺激器
立体定位平台  配 可调底座支架 及支柱与夹具David Kopf InstrumentsModel 982
SureSite IV 22G × 1" 安全导管 MedlineDYNA2210022 G 静脉导管 
注射泵Cole ParmerModel 74900
超精密微操纵器
分辨率为 10 微米		David Kopf InstrumentsModel 961
通用夹持器David Kopf InstrumentsModel 1772 替代用 3D 打印连接件 
U 形立体定位架 David Kopf InstrumentsModel 1430
Vannas 弹簧剪刀 - 2 mm 刃口Fine Science Tools15000-03 
椎骨夹具 David Kopf InstrumentsModel 986C 

参考文献

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