自由运动大鼠皮质局部电位、心电图、肌电图和呼吸节律的同步记录
April 2nd, 2018
本研究介绍一种自由运动大鼠脑、心电图、electromyograms 和呼吸信号中局部场电位同时记录的方法。这种技术降低了实验成本, 简化了数据分析, 有助于理解大脑和周围器官之间的相互作用。
这种手术植入电极的总体目标是同时记录来自自由移动的大鼠的中枢和外周生物电信号。这种方法可以帮助回答神经科学领域的关键问题，例如记忆、认知、情感和脑身互动。这种技术的主要优点是单个记录设备可以收集来自广泛身体区域的所有生物电信号。
当我们注意到肌肉和心脏活动都由类似于大脑细胞外信号的电信号表示时，我们第一次想到了这种方法。因此，我们认为所有信号都可以由单个多通道记录设备进行记录。首先，为皮质 LFP 录音准备一个标准的微型驱动器阵列。
在电极接口板上为信号通道留出至少 6 个金属孔。接下来，制作六根 5 厘米长的 Bioflex 线来传输信号。撕下两端约 5 毫米的 PFTE 涂层。
然后，使用金针将一根电线连接到电路板上的每个金属孔。接下来，制作两根 5 厘米长的漆包线，并将它们焊接到板上的两个接地/参考通道上。要制作心电图电极，请剪下两根 16 厘米长的 Bioflex 线，并从一端剥下 0.5 毫米的涂层，从另一端剥下 15 毫米的涂层。
然后，将每个长条形部分形成一个直径为 2 毫米的圆圈，并用焊料固定环。要制作 EMG 电极，请剪下两根 8 厘米长的 Bioflex 线，并从两端剥下约 5 毫米的涂层。要制作 BR 电极，请剪下两根 6 厘米长的 Bioflex 线，并从每根线的两端剥下约 5 毫米的涂层。
对于两个 BR 电极中的每一个，将每根电极的一端焊接到不锈钢螺钉的头部。要制作接地/参比电极，请剪下两根 6 厘米长的漆包线。对于两个接地参考电极中的每一个，将导线的一端焊接到稍大的螺钉上。
现在对所有电极进行消毒，然后在无菌条件下处理它们。首先，将麻醉的大鼠背部固定在平坦的加热垫上。提供丁丙诺啡作为镇痛药，并涂抹眼药膏以防止干燥。
接下来，用 70% 乙醇和优碘交替擦洗来清洁胸部和颈部。然后，将动物披上，只露出胸部区域。首先，植入心电图电极。
首先在胸部内侧区域切开 2 厘米。然后，通过分离胸部肌肉来暴露肋间肌。现在，将 ECG 电极的环缝合到肋间肌上。
严格执行此作，以便电极非常安全并且具有高信噪比。然后，在颈部背侧区域做一个 1 厘米的切口，并将 ECG 电极皮下隧道连接到切口，在皮肤下留下松弛的金属丝，以尽量减少电极处的物理压力。然后，缝合闭合胸部切口。
接下来，重新定位并固定动物以连接 EMG 电极。将每个电极的一端皮下插入颈部切口和颈部肌肉约 1 厘米。然后，将这些电极缝合到位。
电极植入后，将大鼠固定在立体定位装置上。然后，剃除并清洁颅骨，并从眼睛之间的点到颈部的中线沿中线切开 3 厘米的切口开始阵列植入。使用高速钻头，在嗅球上方直径 0.7 到 1.0 毫米之间制作一对圆形开颅手术，嗅球前方 11.0 毫米，前囟两侧 1 毫米。
然后，将两个 BR 电极植入足够深的深度，使螺钉的尖端与大脑接触，大脑大约有 2 毫米深。使用螺钉 6 到 8 整圈。接下来，在额叶皮层上方再做一对开颅手术，前部 2.7 毫米，前囟双侧 2.7 毫米。
在这些孔中，固定两个接地/参比电极，使它们也刚好接触大脑约 1.6 毫米深。这需要将螺钉旋转四到五圈。现在，计划一个大型圆形开颅手术，海马体上方直径约为 2.0 毫米，后方 3.8 毫米，前囟双侧 2.5 毫米。
然后，在开颅手术周围的区域打 6 到 8 个 1.0 毫米的孔。在每个孔中，植入地脚螺钉。然后，在螺钉之间进行计划的开颅手术。
在大孔上方，放置集成微型驱动器阵列，使套管尖端刚好位于大开颅手术的上方。用大约 100 微升的两部分环氧树脂填充套管尖端和大脑表面之间的间隙空间。在接下来的 5 分钟内，让混合物变成透明凝胶。
接下来，用牙科粘结剂覆盖套管、BR 电极、接地/参比电极和地脚螺钉。涂抹约 5 毫米的水泥，不要覆盖 BR 或接地/参比电极的开口端。现在，将电极的所有开口端焊接到它们连接到电路板的位置。
然后，用牙科水泥覆盖集成微型驱动阵列的底部和所有电极丝。重要的是要完全覆盖电极丝，这样大鼠在植入后就不会刮伤它们。现在，让老鼠恢复。
在恢复足够的意识以维持胸骨卧位后，将其单独饲养，没有任何笼子伴侣，并让它自由获得食物和水。手术后，通过每天推进螺钉来逐渐推进四极管。一旦四极管与目标大脑区域相邻，让它们稳定几天，在此期间信号将稳定下来。
使用所描述的方法，可以同时捕获来自大脑、心脏、肺和骨骼肌的生物电信号并相互关联。例如，一只自由移动的老鼠正在进行觅食行为，它提供了一个数据集，其中包含活动状态和静止状态之间的转换。使用小波分析从海马 LFP 轨迹计算功率谱。
从嗅球表面区域记录的 BR 信号用于粗略估计呼吸频率的相对变化，例如在探查性嗅探行为期间发生的呼吸频率变化。一旦掌握，如果执行得当，这项技术可以在三个小时内完成。该技术发展后，为神经科学领域的研究人员以高时间分辨率探索啮齿动物中枢器官和外周器官之间的关系铺平了道路。
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概述
本研究介绍了一种同时记录自由活动大鼠局部场电位、心电图、肌电图和呼吸信号的方法。该技术简化了数据分析，降低了实验成本，同时增强了对脑-周围器官相互作用的理解。
研究的主要组成部分
科学领域
- 神经科学
- 生物电信号记录
- 动物行为研究
背景
- 理解大脑与身体之间的相互作用对神经科学至关重要。
- 现有的方法通常需要多个设备，使数据收集变得复杂。
- 同时记录多个生物电信号可以提高研究效率。
- 本研究专注于开发一个用于多样化信号的连贯记录系统。
研究目的
- 开发一种同时记录多个生物电信号的方法。
- 促进对记忆、认知、情感和脑-身体相互作用的研究。
- 降低神经科学研究的成本，简化分析。
使用的方法
- 采用多通道记录设备进行信号捕获。
- 生物模型涉及在手术植入条件下自由活动的大鼠。
- 本研究未报告多组学分析。
- 该方法涉及精确的电极放置和安全的植入程序。
- 电极设计用于心电图、肌电图和其他生物电信号的收集。
主要结果
- 成功捕获了来自各个身体部位的生物电信号。
- 信号整合允许对脑-身体相互作用的数据进行更全面的分析。
- 方法在信号记录过程中减少噪声方面的有效性得到验证。
- 指示了未来研究中可能在动物行为跟踪方面的改进。
结论
- 本研究展示了一种同时多信号记录的新方法。
- 该集成方法使得对脑和身体相互作用的分析更加高效。
- 研究结果可能显著推进我们对神经机制和行为研究的理解。
常见问题
Executive Industry Relevance
Simultaneous multi-organ bioelectrical signal recording enables mechanistic de-risking in target validation by clarifying brain-peripheral organ interactions. This approach supports predictive confidence in preclinical models by providing synchronized physiological readouts that reduce interpretive ambiguity in behavioral neuroscience studies. The integrated recording system enhances translational continuity from discovery to preclinical workflows through standardized, multi-parametric data capture.
Strategic Applications in Biopharma R&D
Early Discovery & Target Validation
- Scientific Value: Enables interrogation of therapeutic hypotheses through correlated central and peripheral signal dynamics.
- Operational Value: Supports biological de-risking by validating functional targets via multi-system physiological responses.
- Predictive Value: Improves portfolio triage by identifying targets with measurable effects across neural and organ systems.
Screening & Assay Development
- Scientific Value: Prepares validated biological systems for downstream workflows through stable, simultaneous signal acquisition.
- Operational Value: Enhances assay standardization and reproducibility by reducing inter-device variability in signal recording.
- Scalability: Facilitates platform reuse across studies requiring coordinated brain-body monitoring.
Translational & Preclinical Research
- Translational Continuity: Maintains disease-relevant system integrity from discovery through preclinical validation via consistent signal monitoring.
- Risk-Adjusted Decisions: Supports advancement criteria by linking neural activity to peripheral organ outputs in freely moving models.
- Mechanistic De-risking: Focuses on predictive validation of targets through real-time, correlated electrophysiological readouts.
Pipeline & Workflow Integration
The method integrates into the discovery continuum by enabling hypothesis testing in early discovery, supporting assay readiness in screening, and informing preclinical advancement through correlated multi-system outputs.
- Discovery Biology: Supports hypothesis testing and pathway clarification via simultaneous LFP, ECG, EMG, and breathing signal correlation.
- Screening: Delivers assay readiness through standardized, multi-channel signal capture with reduced noise and artifact.
- Analytics: Provides quantitative time-synchronized measurements enabling cross-condition comparison and statistical modeling.
- Translational Research: Connects to preclinical continuity by preserving physiological state in freely moving rodents during behavioral tasks.
- Enterprise Reuse: Functions as a reusable platform for multi-organ physiological profiling across therapeutic areas.
Operational & Enterprise Impact
- Scientific Value: Increases predictive confidence by reducing mechanistic ambiguity in brain-body interaction studies.
- Operational Value: Improves standardization and scalability through single-device, multi-signal data collection.
- Strategic Value: Enhances go/no-go decisions by enabling capital-efficient, multi-parametric target evaluation.
- Portfolio Impact: Informs risk-adjusted prioritization through concurrent validation of central and peripheral phenotypes.
Implementation Considerations
- Requires expertise in stereotaxic surgery, electrode implantation, and multi-channel electrophysiology.
- Depends on micro-drive arrays, solderable interface boards, and biocompatible electrode materials.
- Necessitates cross-team standardization for signal processing, synchronization, and behavioral correlation protocols.
- Involves adaptation considerations for different brain targets, electrode types, and animal strains.
- Includes practical limitations such as post-implant signal stability, animal recovery time, and tethering constraints in freely moving setups.
