自由活动大鼠皮层局部场电位、心电图、肌电图与呼吸节律的同步记录

本手术植入电极的总体目标是从自由活动的大鼠体内同步记录中枢和外周的生物电信号。该方法有助于回答神经科学领域的一些关键问题，例如记忆、认知、情绪以及脑-体相互作用。该技术的主要优势在于，单个记录装置即可采集来自广泛身体区域的全部生物电信号。

当我们注意到肌肉和心脏活动均以类似于脑细胞外信号的电信号表示时，便首次提出了该方法的构想。因此，我们认为所有这些信号均可通过一个单通道、多通道记录装置进行记录。首先，准备用于皮层局部场电位（LFP）记录的标准微型驱动器阵列。

在电极接口板上为信号通道至少预留六个金属孔。接着，截取六段长度为五厘米的Bioflex导线用于传输信号。将导线两端约五毫米长的PTFE涂层剥除。

然后，使用金针将一根导线连接到电路板上的每个金属孔。接着，截取两段长度为五厘米的漆包线，并将其焊接到电路板的两个接地/参考通道上。制作心电图电极时，截取两段长度为16厘米的Bioflex导线，分别从一端剥去0.5毫米的涂层，从另一端剥去15毫米的涂层。

然后，将每段去皮的长导线弯成直径为两毫米的圆环，并用焊料固定线圈。制作肌电图（EMG）电极时，截取两段八厘米长的Bioflex导线，并将每根导线两端各剥离约五毫米的绝缘涂层。制作呼吸（BR）电极时，截取两段六厘米长的Bioflex导线，并将每根导线两端各剥离约五毫米的绝缘涂层。

对于两个脑电（BR）电极中的每一个，将每根导线的一端焊接到不锈钢螺钉的头部。制作接地/参考电极时，截取两段长度为六厘米的漆包线。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一些的螺钉上。

现在对所有电极进行灭菌，然后在无菌条件下操作。首先，将一只麻醉后的大鼠仰卧固定在平坦的加热垫上。给予布托啡诺作为镇痛剂，并涂抹眼用软膏以防止眼睛干燥。

接着，使用70%乙醇和碘伏交替擦拭清洁胸部和颈部。然后，用手术巾覆盖动物，仅暴露胸部区域。首先，植入心电图电极。

从胸部内侧区域开始做一个两厘米的切口。然后，分离胸部肌肉以暴露肋间肌。现在，将心电图电极的环状结构缝合到肋间肌上。

操作时需确保紧密，使电极固定牢固，并具有较高的信噪比。然后，在背部颈部区域做一个1厘米的切口，将心电图电极通过皮下隧道引至切口处，皮下留有一定余量的导线，以尽量减少电极处的物理应力。随后，缝合关闭胸部切口。

接下来，重新调整并固定动物以连接肌电图（EMG）电极。将每个电极的一端经皮下插入颈部切口约一厘米，进入颈部肌肉。然后，将这些电极缝合固定。

电极植入后，将大鼠固定于立体定位仪上。随后剃除颅骨表面的毛发并清洁颅骨，从两眼之间至颈部沿中线做一条长约3厘米的切口，开始阵列植入。使用高速钻头在嗅球上方制作一对直径为0.7至1.0毫米的圆形颅骨开窗，该位置位于前囟前方11.0毫米、旁侧1毫米处。

然后，将两个脑部记录（BR）电极植入至螺钉尖端刚好与脑组织接触的深度，约为两毫米深。植入时旋转螺钉六到八整圈。接下来，在额叶皮层上方再制作一对颅骨开孔，位置位于前囟前方2.7毫米处，并向左右两侧各2.7毫米处。

将两个接地/参考电极固定于这些孔中，使其也刚好接触大脑，深度约为1.6毫米。这通常需要将螺钉旋转四到五整圈。现在，在海马体上方规划一个直径约2.0毫米的大型环形颅骨开窗，位置位于前囟后方3.8毫米、两侧2.5毫米处。

然后，在将要围绕开颅区域的位置钻出六个到八个直径为1.0毫米的孔。在每个孔中植入固定螺钉。接着，在这些螺钉之间实施计划中的开颅手术。

在大孔上方，放置整合式微型驱动阵列，使套管尖端恰好位于大颅骨开孔的上方。用约100微升的双组分环氧树脂填充套管尖端与脑表面之间的空隙。在接下来的五分钟内，让混合物逐渐转变为透明凝胶状。

接下来，用牙科水泥覆盖套管、BR电极、接地/参考电极以及固定螺钉。涂抹约五毫米厚的水泥，但不要覆盖BR电极或接地/参考电极的开放端。现在，将所有电极的开放端焊接至与电路板连接的位置。

然后，使用牙科水泥覆盖整合式微型驱动阵列的底部以及所有电极导线。必须完全包覆电极导线，以防止大鼠在植入后将其抓出。现在，让大鼠恢复。

在恢复足够的意识并能够维持胸卧位后，将其单独饲养，不与其他笼内动物同住，并提供自由获取的食物和水。手术后，通过每天调节螺钉逐步推进电极。当电极接近目标脑区时，让其稳定数天，期间信号将逐渐稳定。

利用所述方法，可同时采集并关联来自大脑、心脏、肺部和骨骼肌的生物电信号。例如，一只自由活动的大鼠在进行觅食行为时，可提供一组包含活跃状态与静息状态之间转换的数据集。通过小波分析，从海马区局部场电位（LFP）信号中计算得到了功率谱。

通过记录嗅球表面区域的呼吸信号（BR），可粗略估计呼吸频率的相对变化，例如在探索性嗅闻行为期间发生的频率变化。一旦掌握该技术，若操作得当，可在三小时内完成。该技术建立后，为神经科学研究领域的研究人员探索中枢与外周器官之间的关系提供了高时间分辨率的研究手段，尤其适用于啮齿类动物。