用于维持小鼠和大鼠核心体温的电池供电恒温加热垫

摘要

本报告介绍了一种低成本、易于组装且便携的加热垫的构建方法及其在麻醉小型哺乳动物中的应用。

摘要

麻醉会降低实验动物的核心体温，从而严重影响其生理状态。尤为重要的是，低体温会改变神经功能的多个方面。在记录麻醉动物神经系统活动时，必须维持动物核心温度的稳定。尽管市面上有多种适用于小型动物的商用加热垫，但这些设备通常价格昂贵、体积较大，且需要电源线和120/240伏电源。因此，在将麻醉动物从一个地点转运至另一地点时，使用这类设备会受到限制。例如， 手术室）到另一个（例如， 成像装置）需要移动电源线。此外，商用设备并不总是与定制的立体定位仪、显微镜载物台或动物固定盒兼容。本报告介绍一种低成本、电池供电、温度可控的小鼠和大鼠保温垫，并验证其有效性和实用性。该装置可持续监测动物的核心体温，并自动调节加热垫以维持正常体温。该设备可在30分钟内完成组装，所需组件易于获取，成本低于100美元。该装置具有便携性，便于研究人员在一处进行手术准备后，将麻醉动物转移至另一地点进行实验记录。在无需额外加热（如加热灯）的情况下，该装置可使麻醉小鼠的体温在6小时以上维持在正常体温±0.7°C范围内，尽管 >环境室温与核心体温之间15°的温差。本报告展示了如何使用加热垫 在体 对小鼠神经元活动进行长时间成像。

引言

目前研究小鼠和大鼠脑内in vivo神经活动的方法，通常采用复杂的功能性成像技术 和/或 多电极阵列^1,2,3,4。在许多此类研究中，实验动物处于深度镇静或外科麻醉状态。然而，众所周知，麻醉会抑制动物的体温调节能力，导致麻醉动物的核心体温迅速下降。例如，在大鼠和小鼠中，腹腔注射常用的麻醉剂氯胺酮（Ketamine）会迅速引起低体温^5,6,7。事实上，低体温在人类和啮齿类动物的全身麻醉过程中均会带来复杂影响^8,9,10,11。因此，在对麻醉动物进行广泛类型的实验时，必须使用一种能够维持动物核心体温的装置^{12,13,14,15,16,17,18}。

低温是神经科学领域的一个特殊问题。低温会以多种方式影响大脑和神经元功能。麻醉期间的轻度低温可增强血脑屏障，使其抵抗高渗溶液灌注等实验性损伤¹⁹；而更严重的低温则会破坏血脑屏障²⁰。低温会降低中枢²¹和周围²²神经的神经传导速度，并改变突触传递的多个方面^23,24（参见变温动物中的情况²⁵）。显然，在研究神经元活动时，维持实验动物的核心体温至关重要，这凸显了使用某种加热装置的重要性，尤其是对于处于麻醉状态的动物。

目前市面上有多种可用于小型动物的加热垫，其中许多产品配备带有温度探头反馈的控制器，可使动物维持在恒定的核心体温^{26,27,28,29,30,31,32}。这些商用设备性能可靠且稳定，但通常体积较大且价格昂贵。此外，已有文献报道一些更为专业的啮齿类动物恒温加热装置，但其通用性有限^{33,34,35,36,37}。而且，常见的恒温加热设备需要接入120 V或240 V电源插座供电，这些因素可能带来使用限制。当动物在与实际记录位置不同的地点进行手术准备时，对120/240 V电源的需求尤其令人困扰。即使短距离转运实验准备好的动物，也需要同时移动控制器/电源装置及电源线。此外，加热垫的电源装置或控制器可能在电生理记录中引入噪声。

在利用小鼠感觉神经元活动的在体功能成像研究中，研究人员通过设计一种成本极低、易于构建且便携性极佳的恒温加热垫，克服了上述问题。该加热垫由小型锂聚合物（LiPo）电池供电，类似于驱动无人机所用的电池。该装置的制作仅需基本技能，所有组件均为市售商品，可通过在线订购轻松获取。所需工具仅包括一把小螺丝刀、电烙铁和剥线钳。总成本远低于100美元，整个组装过程耗时不到30分钟。由于其体积小巧且组件布局灵活，该恒温加热垫可方便地适配定制的立体定位仪、记录平台、观察笼，或如本报告所述，直立式共聚焦显微镜的载物台。

尽管这种恒温加热垫已被广泛用于 体内 手术暴露颅感觉神经节中神经元活动的钙成像^38,39任何使用镇静或麻醉小型啮齿类动物的研究都将受益于该设备。经验表明，当由充满电的LiPo电池供电时，加热垫可使麻醉小鼠的核心体温在6小时以上保持稳定。

方案

制作加热垫所需的所有物品均可从商业渠道获得。使用小鼠及本方案中描述的所有动物实验程序均经迈阿密大学机构动物护理和使用委员会（IACUC）批准（批准号：IPROTO202200000139）。用于测试和验证该装置的动物为C57BL/6小鼠，体重18-30 g，雌雄均有。专门用于钙成像实验的小鼠为在感觉神经元中表达GCaMP6s的转基因小鼠。所用试剂和设备列于材料表中。

1. 组装工具

所需的工具包括一把小型一字螺丝刀（例如，2 mm 刀头）、一个电烙铁和一个导线切割/剥线钳。

2. 加热垫的组装

组装所需的物品已摆放好（图1）。这些物品包括：（A）一个12 V 15 W、50 mm × 100 mm的硅胶加热垫（50 mm × 100 mm的尺寸适用于小鼠，而较大的硅胶加热垫更适合大鼠）；（B）珠状热敏电阻；（C）JST-XH 2针平衡插头插座公头连接器；（D）带20 AWG引线的JST 2针公头插接连接器；（E）7.4 V 1200 mAh锂聚合物电池；（F）温度控制电路；以及（G）一段较短的20 AWG连接导线。

图1：恒温加热垫构建的部件布局。包括（A）12 V 15 W 50 mm × 100 mm硅胶加热垫（50 mm × 100 mm尺寸适用于小鼠，而较大尺寸的硅橡胶加热垫更适合大鼠）；（B）珠状热敏电阻；（C）JST-XH 2针平衡插头插座（公头）；（D）带20 AWG引线的2针JST插头连接器（公头）；（E）7.4 V 1200 mAh LiPo电池；（F）温度控制电路；以及（G）一段较短的20 AWG连接导线。请点击此处查看该图的放大版本。

将硅胶加热垫的两根导线插入温度控制电路的第2号和第4号端子，并如图2所示拧紧端子螺丝。在将导线连接至控制板端子前，已对其进行镀锡处理。

图 2：硅胶加热垫连接至温度控制电路。图中显示了温度控制电路配套的热敏电阻探头。请点击此处查看该图的放大版本。

然后将2针公头JST插头的导线按照图3所示连接至温度控制电路。红色（正极）导线连接至端子#1，黑色（负极）导线连接至端子#2。在端子#1和#3之间添加一段较短的20号接线用跳线（图3）。从加热垫的导线中回收了一小段接线用导线。与前述步骤相同，在将导线夹紧到控制板端子之前，需先对导线进行镀锡处理。

图3：JST插头的导线连接至温度控制电路的1号和2号端子。 红色导线（正极）必须连接至1号端子，黑色导线（负极）连接至2号端子。1号和3号端子之间用一根短接导线连接。为清晰起见，图中未显示硅胶加热垫的连接（图2）。 请点击此处查看该图的放大版本。

3. 热敏电阻和探头设置

将JST-XH插头的导线焊接到珠状热敏电阻上。重要的是，热敏电阻的引线和焊点需用热缩管仔细绝缘，以避免热敏电阻发生短路。如图4所示，将温度控制器附带的热敏探头拔下并移除，替换为珠状热敏电阻探头。该珠状热敏电阻作为直肠温度探头，用于监测小鼠或大鼠的核心体温。

图 4：准备直肠温度探头。（A）JST-HX 插头已焊接至珠状热敏电阻。（B）从温度控制器上拆下其自带的热敏电阻探头。（C）将珠状热敏电阻导线插入控制器中。请点击此处查看此图的放大版本。

4. 最终整合与安装

构造已完成（图5）。该装置已可投入使用，并可安装在适当的平台上进行实验。将锂聚合物电池（LiPo）插入JST插头，以为控制器供电。图5展示了完全运行状态下的装置示例。在某些情况下，温度控制器电路通过其四个角上的长间距垫片（例如1英寸#6尼龙螺钉）进行安装。通过这种方式，7.4 V锂聚合物电池可整齐且方便地安装在温度控制器电路下方。

图 5：在环境温度为 22 °C 的房间内运行的完整恒温加热垫装置。 请点击此处查看该图的放大版本。

5. 设备操作与使用

操作恒温加热垫时，需在珠状热敏电阻上涂抹少量凡士林，然后将其轻轻插入麻醉或镇静小鼠的直肠内。本报告中，使用18–30 g的小鼠，并以氯胺酮/赛拉嗪（80 mg/kg 氯胺酮和10 mg/kg 赛拉嗪）进行麻醉，后续追加氯胺酮剂量以维持手术麻醉深度。将热敏电阻的导线用胶带固定于动物尾部，以防止探头移位。将动物俯卧置于硅胶加热垫上。通过插入7.4 V LiPo电池为设备供电。按下恒温控制器上的Set按钮，此时设定温度旁会显示“H”（加热）。再次按下Set按钮以激活温度设定。按Up或Down按钮将设定温度调整至所需值。例如，设定温度为37°C。长按Set按钮3秒（或6秒内不按任何按钮），设备即进入完全工作状态。温度控制器电路随附的规格说明书也包含了温度设定的操作说明。

当动物的核心温度低于设定温度（例如 37°）时，为硅胶加热垫供电的继电器闭合。电流被输送至硅胶加热垫，红色指示灯亮起，硅胶垫开始加热，直至直肠探头测得的温度超过设定温度一个固定值（“迟滞”；出厂默认设置为 0.5°）。当直肠探头测得的温度超过设定温度加上迟滞值（本例中为 37.5°）时，继电器断开，红色指示灯熄灭，硅胶加热垫断电，加热垫及动物开始冷却（假设环境室温< 37.5°）。当直肠探头温度降至设定温度减去迟滞值（例如 36.5°）时，继电器再次闭合，电流重新输送至硅胶加热垫，以对动物进行加热。迟滞值可通过按设置按钮三次，并使用上调或下调按钮进行调节。温度控制器的操作提供了更详细的使用说明，随设备附带，包括串行接口控制（如用户需要）。

6. 随访程序

在本研究报告所述实验结束时，小鼠通过过量使用氯胺酮实施人道安乐死，CO₂，以及颈椎脱位。具体而言，先向动物注射2倍剂量的氯胺酮，随后进行CO₂ 来自以10 SCFH（标准立方英尺每小时）流速输送的加压气瓶，最后采用颈椎脱臼法处死。

结果

已评估并验证了两种用于恒温加热垫的方法。

首先，在对设备进行关键的分析测试时，一只小型（18.5 g）雄性小鼠在相对低温的环境中，于加热垫上维持深度麻醉状态达6小时。具体而言，小鼠被注射了氯胺酮/赛拉嗪混合物（80 mg/kg 氯胺酮和10 mg/kg 赛拉嗪），并裸露置于加热垫上，未加覆盖，实验环境为空调房间（室温20.3°C）。根据需要追加氯胺酮注射，以维持小鼠处于外科麻醉水平。在整个6小时期间，小鼠呼吸频率保持正常，估计范围从最低110次/分钟至最高215次/分钟，具体数值取决于追加氯胺酮注射后的时间（与氯胺酮对呼吸已知的影响一致）。使用设备配备的珠状热敏电阻探头监测小鼠核心体温，同时平行插入商用RET-4直肠探头（Physitemp）进行独立测量。此外，记录了麻醉小鼠正下方硅橡胶加热垫表面的温度。控制器设定温度为35°C。数据显示，尽管室温（20°C）与目标体温之间存在约15°C的温差，小鼠核心体温在6小时内波动幅度小于1.3°C 与 设定的核心温度（35°）图6重要的是，在整个过程中，小鼠的核心体温在没有任何辅助加热设备（如加热灯、加热垫等）的情况下仍保持在35±0.6°C。在6小时期间内更换了一次锂电池。

图6：恒温加热垫的验证。 一只麻醉小鼠被放置在开放房间内的平台上（环境温度为20 °C），6小时内无其他热源。设备设定为维持小鼠核心体温在35 °C。(A) 实验装置示意图。(B) 由设备自带的直肠珠状热敏电阻探头记录的温度（红点表示）；由独立的RET-4（Physitemp）直肠探头记录的温度（紫点表示）；以及放置于小鼠下方硅胶加热垫表面的另一温度探头记录的温度（带黑边的圆圈表示）。请点击此处查看该图的放大版本。

其次，电池供电的加热垫被广泛用于 体内 在表达GCaMP6s的感光神经元转基因小鼠中，对感觉神经节活动进行扫描共聚焦钙成像^38,39实验通常持续6小时或更长时间，期间小鼠保持在手术麻醉状态。经验表明，在手术准备和成像过程中将小鼠的核心体温维持在31.5 °C为最佳条件。手术准备包括在深度麻醉的小鼠中单侧暴露三叉神经节和/或膝状神经节。该手术在与成像场所分离的房间内进行，因此需要将固定于定制立体定位装置上的麻醉小鼠连同加热垫一起转运约40米。环境室温在20–24 °C之间波动。通过设备的直肠温度探针（珠状热敏电阻）测量的小鼠核心体温始终保持稳定，动物在整个6小时以上的实验过程中维持在稳定的生理状态，无需额外辅助加热。神经活动保持强劲图7），验证了电池供电加热垫维持动物体温正常的可靠性。

图7：在体内成像神经元活动期间使用的加热垫。加热垫可维持麻醉小鼠的核心体温稳定，支持数小时内稳定可靠的神经元活动记录。（A）图示小鼠置于加热垫上，头部由定制夹具固定，位于共聚焦显微镜20倍长工作距离物镜下方。如图所示，成像期间小鼠核心体温维持在31.5 °C。扫描激光（488 nm）照射手术暴露的膝状神经节，成像表达钙敏感报告蛋白GCaMP6s的味觉感觉神经元中由味觉刺激引发的活动。右下角较大的白色多通管将味觉刺激液导入口腔。（B）来自5个膝状神经节神经元的代表性示例，显示在将300 mM蔗糖溶液施加于口腔5秒后引发的味觉反应（GCaMP6s荧光变化，ΔF/F）。这些反应在实验开始时成像获得。红线上的刻度标记表示刺激施加时间点。（C）6小时后记录的另外5个不同神经节神经元的反应示例。在此期间，小鼠一直处于麻醉状态并始终置于加热垫上。这些味觉诱发反应的幅度、持续时间和潜伏期与数小时前记录的结果极为相似。请点击此处查看该图的放大版本。

这些测试验证了恒温控制器的性能，并充分证明了加热垫装置能够在长时间内将麻醉状态下的啮齿动物维持在恒定的核心温度。

数据可用性：

完整数据表包含在补充文件1中，对应于图6和图7。

补充文件 1：图 6 和 图 7 的数据表。请点击此处下载该文件。

讨论

本报告介绍了一种小型、便携、电池供电的恒温加热垫，用于维持麻醉小鼠和大鼠的正常体温。该设备在无任何辅助热源的情况下，可使深度麻醉小鼠的核心体温在数小时内保持稳定，即使室温与核心体温之间存在较大温差。该加热垫在共聚焦显微 体内 小鼠颅神经节活动的成像方法被展示。

该设备的所有组件均可在线获取，全部组件的总成本低于100美元。组装该设备仅需使用常见的工具，除基本的焊接操作外，无需任何特殊技能。加热垫由高容量锂聚合物电池（LiPo）供电，这种电池通常用于无人机。当所有部件按说明摆放到位后，整个设备可在30分钟内完成组装。这种小型电池供电的恒温加热垫在实验中尤为有用，例如当麻醉动物在一个地点（如手术室）准备完毕后，需要转运至另一地点（如成像设备处）进行实验操作。由于设备采用电池供电，因此无需断开电源线，也无需移动独立的温控单元。此外，电池供电的设计避免了在电生理记录中产生电噪声的问题，而这一问题在使用120/240 V交流电的商用设备中常常令人困扰。最后，该加热垫可方便地适配于定制的立体定位仪、固定盒、动物笼具或其他类似应用场景。

热加热垫的主要局限性在于，锂聚合物电池的电量可能无法持续整个实验过程。通常情况下，一块充满电的1200 mAh电池可为设备供电4-6小时，具体时长取决于动物与室温之间的温差。一个简单的解决方案是准备一块备用电池，和/或使用容量更大的2200 mAh锂聚合物电池。

尽管该装置构造简便且使用方便，但其周围仍存在一些潜在风险。用于加热垫供电的锂聚合物电池（LiPo电池）可能存在危险^40,41。尽管这类电池常被用于无人机和玩具供电，但其本身具有一定的风险。尤其值得注意的是，过度充电锂聚合物电池存在严重的火灾隐患⁴²。使用者应切勿将锂聚合物电池整夜或更长时间持续充电。另一个风险是在组装过程中，可能因误用短接导线意外连接端子1和端子2，造成电池短路（图3）。此外，必须确保电池连接线的极性正确，即红色（正极）导线连接至温度控制电路的端子1，黑色（负极）导线连接至端子2（图3）。若极性接反，可能导致电路损坏。最后，建议使用者在将导线插入温度控制电路前先对导线端头进行镀锡处理，以防止使用过程中导线意外松脱。

总之，本文所述的恒温电池供电加热垫将极大地有利于使用麻醉小鼠或大鼠的研究。

材料

本文使用的材料清单

姓名	公司	目录编号	评论
电子恒温控制器	德洛克	https://www.droking.com/Digital-Temperature-Controller-DC6.0-30V-Adjustable-Temperature-with-Heating-and-Cooling-Mode-Tester?search=Temperature%20Controller&描述=真实	每人9.50美元
JST插头连接器 2针公头，带20 AWG引脚	eBoot	https://www.amazon.com/dp/B01M5AHF0Z?ref_=ppx_hzsearch_conn_dt_b_fed_asin_title_1	7.19美元，nbsp;10磅级
JST-XH 2.54mm 1S 2针平衡插头 插头 插头 公头连接器 nbsp;	电鹰	https://www.amazon.com/dp/B07YKHV46N?psc=1&参考=ppx_yo2ov_dt_b_product_details	7.99美元，nbsp;5个人最好成绩
锂聚合物电池，7.4V 1200mAh	乌尔吉内克斯	https://urgenexrc.com/products/7-4v-1200mah-rc-car-battery-rechargeable-lipo-battery-with-jst-plug-1200mah-30c?srsltid=AfmBOoowx-Bx8OfWtBPB78OfJoyADUDFV9hm7fh9msRGAvQKkKuJWGOj	每人26.99美元
NTC珠形热敏电阻 10KOhm 3380K NXFT15XH103FA2B025	村田	https://www.mouser.com/ProductDetail/Murata-Electronics/NXFT15XH103FA2B025?qs=MY6wChARw2wvHNDuqPRh8A%3D%3D&utm_id=22515856461&utm_source=google&utm_medium=CPC&utm_marketing_tactic=amercorp&gad_source=1&gad_campaignid=22525919680&gbraid=0AAAAADn_wf0gqCND-9aGWrXUwlVMWV3Hk&gclid=Cj0KCQjwjdTCBhCLARIsAEu8bpJw9wURxCTvI_-xRP9WEQMbL9_vz9zB83t2Oan7POSJAM64i_GaFE4aAkRtEALw_wcB	每人0.60美元
硅胶加热垫，12V 15W 50毫米 x 100毫米	德诺德	https://www.amazon.com/DERNORD-Silicone-Heating-Rubber-Flexible/dp/B0BDYBTNCD?ref_=ast_sto_dp&th=1	15.99美元，nbsp;4/每包