本方案提供了一种整合性方法,包括病毒递送、光探针植入、光血栓诱导、星形胶质细胞与神经元活动的同步记录,以及星形胶质细胞的光遗传学刺激。该整合性方法旨在对缺血性脑卒中从急性期到慢性期各个阶段的星形胶质细胞-神经元相互关系进行同步研究。
方法文章
本方案提供了一种整合性方法,包括病毒递送、光探针植入、光血栓诱导、星形胶质细胞与神经元活动的同步记录,以及星形胶质细胞的光遗传学刺激。该整合性方法旨在对缺血性脑卒中从急性期到慢性期各个阶段的星形胶质细胞-神经元相互关系进行同步研究。
研究缺血性卒中后星形胶质细胞与神经元之间的动态相互作用,对于理解卒中后的恢复机制至关重要。然而,现有方法通常难以捕捉动物在执行特定行为任务时神经元与星形胶质细胞之间的实时相互作用,限制了我们对卒中急性期病理过程的探究能力。本实验方案介绍了一种整合方法,结合光栓塞性卒中模型、多通道电生理记录和光纤光度法,在清醒且自由活动的小鼠中利用自行制备的光遗传电极(optrode)实现同步检测。该方案包括通过光栓塞诱导局灶性缺血,随后同步记录神经元放电活动和星形胶质细胞钙瞬变信号。该光遗传电极可在无需多次手术操作的前提下,同时实现光栓塞诱导、钙信号记录和光遗传学操控。代表性结果证实了星形胶质细胞钙信号与神经元放电活动的同步记录成功实现。对星形胶质细胞进行光遗传学操控可引起神经元放电模式的显著改变(与光刺激前相比,锥体神经元放电频率降低1.55 ± 0.45 Hz,中间神经元降低3.64 ± 1.37 Hz,n = 2),表明该系统具备研究星形胶质细胞-神经元相互作用的能力。这一整合方法通过在行为动物模型中实现从卒中急性期到慢性期的实时、多模态记录,弥补了当前卒中研究方法中的关键空白。
缺血性脑卒中仍是全球主要的健康挑战,是全球范围内致死和获得性长期残疾的主要原因之一1,2,3。缺血性脑卒中高致残率与其多种临床症状相关,包括运动性瘫痪、感觉丧失以及认知功能障碍等4,5,6。目前迫切需要深入理解缺血性脑卒中修复阶段的病理机制与恢复机制。除了神经元功能障碍外,星形胶质细胞的严重功能障碍近年来也受到广泛关注7,8。星形胶质细胞是最丰富的胶质细胞,是中枢神经系统以及三联突触的重要组成部分。在缺血级联反应的各个阶段,星形胶质细胞均发挥着不可或缺的作用,并深刻影响神经元及功能的恢复9,10,11。在健康大脑中,星形胶质细胞与神经元通过三联突触实现功能耦合,其中星形胶质细胞的突起包绕突触前和突触后终末,并积极参与突触传递过程7,8。星形胶质细胞通过兴奋性氨基酸转运体调节细胞外谷氨酸浓度,通过Kir4.1通道维持钾离子稳态,并通过钙依赖性胞吐释放胶质递质来调节突触强度7,8。在此背景下,星形胶质细胞内钙瞬变代表其活性状态,并与神经元放电活动紧密关联7。在缺血性脑卒中期间,这种精细调控的关系迅速被破坏。能量衰竭导致离子梯度崩溃,引发大量谷氨酸释放和扩布性去极化,从而造成兴奋性神经元损伤以及反应性星形胶质细胞增生12。梗死核心区域及其周围星形胶质细胞经历一系列病理变化,包括钙超载、谷氨酸再摄取功能受损、突触耦合丧失以及胶质递质释放功能障碍13。与此同时,神经元的放电活动显著受到抑制,表现为神经元活力下降及膜电位完整性丧失14,15。在梗死周围区域,存活的神经元与反应性星形胶质细胞之间发生动态相互作用,这些相互作用被认为对决定卒中后恢复结局至关重要;然而,在清醒、行为活动动物中,这种相互作用的实时电生理和钙信号特征仍缺乏充分研究13,16。因此,同步理解星形胶质细胞活动与神经元信号被认为是缺血性损伤后神经功能恢复的关键基础。
光栓塞是一种广泛应用的缺血模型,它利用光敏染料和局部光照在特定靶向区域诱导缺血性病灶17。目前的卒中建模与记录方案在研究卒中后星形胶质细胞-神经元相互作用方面受到三个主要技术瓶颈的限制17,18,19。建模与记录分离是当前大多数方案的常见缺陷,导致模型建立与实时信号记录之间存在时间间隔20,21。然而,缺血性卒中发生后的数分钟至数小时内,神经元和星形胶质细胞均经历剧烈波动,是至关重要的时期12,22。若无法在缺血事件发生后立即同步监测星形胶质细胞-神经元相互作用,将严重阻碍对缺血性卒中有效早期干预的研究。当前方案的另一局限在于记录方式的孤立性;大多数现有方法仅针对单一类型的信号进行了优化。例如,多通道电生理技术可检测神经元放电和局部场电位(LFPs),但无法感知胶质细胞的信号状态15,16。相反,通过in vivo.钙成像监测星形胶质细胞动态可捕捉其活动波动,却缺乏神经元放电数据。当前方案的最后一个瓶颈在于动物的记录状态;在大多数方案中,动物处于麻醉或自由活动状态。然而,运动功能障碍被认为是卒中最棘手的后遗症之一;理解特定行为与星形胶质细胞-神经元事件之间的关联至关重要。因此,迫切需要一种集成化方法,能够在执行特定行为测试的清醒小鼠中,同时构建光栓塞性卒中模型并同步捕获星形胶质细胞和神经元信号。现有的各种方法仅能满足其中部分需求。双光子钙成像在完整大脑中对星形胶质细胞微区动态具有卓越的空间分辨率,但要求动物头部固定或处于麻醉状态,无法进行自然行为评估,且不能同时获取多通道神经元放电数据13。独立的光纤光度法可在自由活动动物中实现星形胶质细胞钙信号监测,但仍无法获取神经元放电模式,无法提供回路功能的电生理读数16。多通道细胞外电生理技术虽能以高时间分辨率解析神经元单元的放电活动和局部场电位,但无法提供星形胶质细胞信号状态的信息15。然而,这些方法均无法在不中断的情况下,于同一解剖位点同时诱导精确定位的光栓塞性卒中并进行多模态记录。
为解决现有技术局限,我们提出了一种集成化系统。该系统通过单一的慢性植入装置,同时克服了上述三项技术限制,可在清醒、自由活动的小鼠中,从卒中发生起始直至慢性阶段,同步实现光血栓诱导、基于光纤光度法的星形胶质细胞钙信号记录以及多通道神经元电生理记录。本方法的可行性通过将定制制造的光探针长期植入表达星形胶质细胞特异性钙指示剂及光遗传病毒载体的小鼠脑内得以验证。利用该方法,可在动物执行行为任务及接受光遗传调控的过程中,同步记录并分析星形胶质细胞的钙瞬变与神经元放电活动。
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本方案已获得广州中医药大学动物护理与使用委员会的批准(编号:00379474),并依照美国国立卫生研究院《实验动物护理与使用指南》所制定的指南和规定进行。本研究已采取一切可能的措施以尽量减少所使用的动物数量。
1. 病毒载体递送
注意:本节描述将星形胶质细胞特异性的腺相关病毒(AAV)载体立体定位注射至运动皮层(M1FL)的操作。目的是在光探针植入前,实现星形胶质细胞中GCaMP6s钙指示剂和光遗传学工具opto-vTRAP的稳定且特异性表达。所需主要设备包括:立体定位仪、数字游标系统、玻璃微量移液管和微输注泵。
2. 光电极检查与功能验证
注意:在植入前,必须对定制的光导电极进行物理检查,并通过光学测试确认其能够在所有三种功能模式下(光栓塞、光遗传学刺激和光纤光度测定)正常传递光。所需主要设备包括:显微镜、光功率计,以及波长分别为532 nm、488 nm、470 nm和405 nm的激光光源。
3. 慢性光遗传电极植入
注意:本节介绍在病毒注射位点长期植入光探针的手术步骤。精确定位注射坐标至关重要,以确保记录电极和光纤能够采集到表达GCaMP6s和光遗传学vTRAP的脑区信号。所需主要设备包括:立体定位仪、微型钻头、镊子、颅骨固定螺钉、琼脂糖凝胶和牙科水泥。
4. 光化学血栓模型构建与同步记录
注意:本节介绍行为适应、基线记录、通过光血栓法诱导脑卒中以及卒中后纵向记录的操作流程。光血栓通过植入的光导电极递送,同时持续进行电生理和光纤光度记录。所需主要设备包括:转棒仪、抓力计、光纤光度系统、多通道神经记录系统、玫瑰红染料以及530 nm激光光源。
5. 多模态数据分析流程
注意:本节概述了多通道电生理数据( spike sorting)、星形胶质细胞钙信号(ΔF/F 计算)以及两种数据流跨模态对齐的分析工作流程。所需软件:Plexon Offline Sorter(离线 spike sorting 软件)、NeuroExplorer(神经数据分析软件)和 RWD OFRs(光纤光度法)分析软件。

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实验时间线
图1总结了实验时间线和关键手术标志。病毒注射与光探针植入之间需间隔三周,以确保GCaMP6s充分表达;在诱导脑卒中前的基线记录期间,应通过检测光纤光度学信号来确认星形胶质细胞钙信号是否显著。
光血栓模型的多维度验证
局灶性缺血的诱导得到了体内、组织学和行为学证据的支持。
激光散斑成像可实时提供照射区域内脑血流灌注下降的证据。在短暂异氟烷麻醉(1.5–2%,维持浓度)下进行卒中后血流验证的激光散斑对比成像(LSCI)。为实现无遮挡的皮层成像,在LSCI前小心移除植入部位的光导探针,并用无菌生理盐水冲洗颅窗。LSCI分别在光栓塞后立即、卒中后第1天和第7天进行。基础脑血流量(CBF)为275.63 ± 11.03 LSPU;光栓塞后,CBF下降至154.15 ± 4...
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本文所述的整合型实验方案在缺血性脑卒中进展过程中星形胶质细胞与神经元相互作用的研究方面取得了重要进展。该方法通过将光化学血栓诱导与实时光-电生理监测及光遗传学操控相结合,有效弥合了脑卒中起始与神经元及星形胶质细胞在环路水平重组观察之间的空白。Boyce 等人近期的研究表明,在自由活动的小鼠脑卒中模型中,结合光纤光度法与电生理记录是可行的,证实了多模态方法在此领域的价值。本研究所提出的整合型光控电极系统进一步拓展了这一理念,通过在同一植入装置中实现对星形胶质细胞的光遗传学操控,使得能够对星形胶质细胞–神经元相互作用进行因果性探究,而这是仅依赖记录手段所无法实现的26。
图1所示的记录设置提供了一种将记录与行为任务相结合的示例性方案,因为光探针被植入初级运动皮层前肢区域(M1FL),并选择前肢抓握测试来特异性观察运动行为与星形胶质细胞-神经元活动之间的关系。该系统能够递送光血栓并同时记录星形胶质细胞钙瞬变和神经元活动的能力已得到验证(图3 和 图4
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作者无任何利益冲突需要披露。
本工作得到国家自然科学基金青年项目(编号:82405539)、广东省基础与应用基础研究基金项目(编号:2023A1515110322,2025A1515011811)、中华中医药学会青年人才支持计划(编号:2025-QNRC2-B16)、国家中医药综合改革示范区科技共建项目(编号:GZY-KJS-GD-2025-048,GZY-KJS-GD-2025-033)以及广州中医药大学针灸推拿学学科基础巩固专项项目的资助。
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| 姓名 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
|---|---|---|---|
| 2% TTC 染色液 | Solarbio | G3005 | |
| 琼脂糖 | Biosharp | BS081 | |
| 体温维持系统 / 恒温监测仪 | RWD life Science | 69002 | |
| 颅骨螺钉 | 中科慧达 | 23092007 | |
| 数据采集与分析软件(光纤光度法) | RWD life Science | ORFs | |
| 数据采集与分析软件(多通道电生理) | Plexon | PlexControl, Offline Sorter, Neuroexplorer | |
| 数字式实验室立体定位仪 | RWD life Science | 68804 | |
| 镊子 | FST | 11252-00 | 镊子直径 0.005 mm ´ 0.025 mm |
| 激光功率计 | Sanwa | LP10 | |
| 激光散斑血流成像系统 | Pericam AB | Pericam PSI NR | |
| 小鼠 | Risemice | C57BL/6J | |
| 微型手持式颅骨钻 | RWD life Science | 78001 | |
| 小鼠病毒微量注射仪 | RWD life Science | 68025 | |
| 光刺激电极(Optrode) | 定制 | Kedou | 定制产品,含16根钨丝电极环绕1根光纤 |
| Prism | GraphPad | 5.01 版本 | |
| R studio | Posit | 版本 4.4.1 | |
| rAAV-GfaABC1D-GCaMP6s | BrainVTA | PT-2560 | 星形胶质细胞特异性钙离子指示剂 |
| rAAV-GfaABC1D-opto-vTrap | BrainCase | BC-2446 | 星形胶质细胞特异性光遗传病毒载体 |
| 玫瑰红染料(Rose Bengal Dye) | Sigma-Aldrich | 198250 | 用于血栓诱导的光敏染料 / Sigma-Aldrich |
| 推车式麻醉工作站 | RWD life Science | R520 | 适用于小鼠可控吸入麻醉的麻醉机 |
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