Name: DREAM 植入物：一种轻便、模块化且经济高效的植入系统，用于头部固定和行为自由的小鼠的慢性电生理学 (视频) | JoVE Journal
Uploaded: 2024-07-26T14:10:00.000+00:00
Duration: 8 min 42 s
Description: 了解DREAM植入物系统在小鼠和猕猴慢性电生理研究中的应用。该轻便模块化装置支持行为自由状态下的神经活动记录，助力研究自然决策过程中的神经计算机制。

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本工作由荷兰研究理事会（NWO；交叉计划 17619）资助 &#34;高强度&#34;，TS）并获得了欧盟第七框架计划（FP7/2007-2013）资助，项目编号为600925（Neuroseeker，TS，FB，PT），如&#160;良好&#160;来自马普学会。

A Cost-Effective, Versatile Probe Implant System for Electrophysiology in Mice

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<li>Okun, M., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Diverse+coupling+of+neurons+to+populations+in+sensory+cortex%5BTitle%5D)+AND+%22Nature%22%5BJournal%5D)">Diverse coupling of neurons to populations in sensory cortex.</a> Nature. 521 (7553), 511-515 (2015).</li>
<li>Jun, J. J., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Fully+integrated+silicon+probes+for+high-density+recording+of+neural+activity%5BTitle%5D)+AND+%22Nature%22%5BJournal%5D)">Fully integrated silicon probes for high-density recording of neural activity.</a> Nature. 551 (7679), 232-236 (2017).</li>
<li>Znamenskiy, P., Kim, M. -H., Muir, D. R., Iacaruso, M. F., Hofer, S. B., Mrsic-Flogel, T. D. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Functional+specificity+of+recurrent+inhibition+in+visual+cortex%5BTitle%5D)+AND+%22Neuron%22%5BJournal%5D)">Functional specificity of recurrent inhibition in visual cortex.</a> Neuron. 112 (6), 991-1000 (2024).</li>
<li>Rowland, J. M., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Propagation+of+activity+through+the+cortical+hierarchy+and+perception+are+determined+by+neural+variability%5BTitle%5D)+AND+%22Nat+Neurosci%22%5BJournal%5D)">Propagation of activity through the cortical hierarchy and perception are determined by neural variability.</a> Nat Neurosci. 26 (9), 1584-1594 (2023).</li>
<li>Roth, M. M., Dahmen, J. C., Muir, D. R., Imhof, F., Martini, F. J., Hofer, S. B. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Thalamic+nuclei+convey+diverse+contextual+information+to+layer+1+of+visual+cortex%5BTitle%5D)+AND+%22Nat+Neurosci%22%5BJournal%5D)">Thalamic nuclei convey diverse contextual information to layer 1 of visual cortex.</a> Nat Neurosci. 19 (2), 299-307 (2016).</li>
<li>Zong, W., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Large-scale+two-photon+calcium+imaging+in+freely+moving+mice%5BTitle%5D)+AND+%22Cell%22%5BJournal%5D)">Large-scale two-photon calcium imaging in freely moving mice.</a> Cell. 185 (7), 1240-1256 (2022).</li>
<li>Demas, J., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((High-speed%2C+cortex-wide+volumetric+recording+of+neuroactivity+at+cellular+resolution+using+light+beads+microscopy%5BTitle%5D)+AND+%22Nat+Methods%22%5BJournal%5D)">High-speed, cortex-wide volumetric recording of neuroactivity at cellular resolution using light beads microscopy.</a> Nat Methods. 18 (9), 1103-1111 (2021).</li>
<li>Buzsáki, G., Anastassiou, C. A., Koch, C. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((The+origin+of+extracellular+fields+and+currents+EEG%2C+ECoG%2C+LFP+and+spikes%5BTitle%5D)+AND+%22Nat+Rev+Neurosci%22%5BJournal%5D)">The origin of extracellular fields and currents EEG, ECoG, LFP and spikes.</a> Nat Rev Neurosci. 13 (6), 407-420 (2012).</li>
<li>Polikov, V. S., Tresco, P. A., Reichert, W. M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Response+of+brain+tissue+to+chronically+implanted+neural+electrodes%5BTitle%5D)+AND+%22J+Neurosci+Methods%22%5BJournal%5D)">Response of brain tissue to chronically implanted neural electrodes.</a> J Neurosci Methods. 148 (1), 1-18 (2005).</li>
<li>Savya, S. P., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((In+vivo+spatiotemporal+dynamics+of+astrocyte+reactivity+following+neural+electrode+implantation%5BTitle%5D)+AND+%22Biomaterials%22%5BJournal%5D)">In vivo spatiotemporal dynamics of astrocyte reactivity following neural electrode implantation.</a> Biomaterials. 289, 121784(2022).</li>
<li>Perge, J. A., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Intra-day+signal+instabilities+affect+decoding+performance+in+an+intracortical+neural+interface+system%5BTitle%5D)+AND+%22J+Neural+Eng%22%5BJournal%5D)">Intra-day signal instabilities affect decoding performance in an intracortical neural interface system.</a> J Neural Eng. 10 (3), 036004(2013).</li>
<li>Pachitariu, M., Steinmetz, N., Kadir, S., Carandini, M., Harris, K. D. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Kilosort%3A+realtime+spike-sorting+for+extracellular+electrophysiology+with+hundreds+of+channels%5BTitle%5D)+AND+%22bioRxiv%22%5BJournal%5D)">Kilosort: realtime spike-sorting for extracellular electrophysiology with hundreds of channels.</a> bioRxiv. , 061481(2016).</li>
<li>Buzsáki, G. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Large-scale+recording+of+neuronal+ensembles%5BTitle%5D)+AND+%22Nat+Neurosci%22%5BJournal%5D)">Large-scale recording of neuronal ensembles.</a> Nat Neurosci. 7 (5), 446-451 (2004).</li>
<li>Kloosterman, F., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Micro-drive+array+for+chronic+in+vivo+recording%3A+Drive+fabrication%5BTitle%5D)+AND+%22J+Vis+Exp%22%5BJournal%5D)">Micro-drive array for chronic in vivo recording: Drive fabrication.</a> J Vis Exp. (26), e1094(2009).</li>
<li>Jacobs, T., Darch, H., Holtzman, T., De Zeeuw, C. I., Romano, V. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Standard+operating+protocol%3A+Implantation+of+Cambrige+NeuroTech+chronic+silicon+probe+and+mini-amp-64+digital+headstage+in+mice%5BTitle%5D)+AND+%22Protocol+Exchange%22%5BJournal%5D)">Standard operating protocol: Implantation of Cambrige NeuroTech chronic silicon probe and mini-amp-64 digital headstage in mice.</a> Protocol Exchange. , (2023).</li>
<li>Juavinett, A. L., Bekheet, G., Churchland, A. K. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((An+adaptable%2C+reusable%2C+and+light+implant+for+chronic+Neuropixels+probes%5BTitle%5D)+AND+%22bioRxiv%22%5BJournal%5D)">An adaptable, reusable, and light implant for chronic Neuropixels probes.</a> bioRxiv. , (2024).</li>
<li>Kozai, T. D. Y., Jaquins-Gerstl, A. S., Vazquez, A. L., Michael, A. C., Cui, X. T. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Brain+tissue+responses+to+neural+implants+impact+signal+sensitivity+and+intervention+strategies%5BTitle%5D)+AND+%22ACS+Chem+Neurosci%22%5BJournal%5D)">Brain tissue responses to neural implants impact signal sensitivity and intervention strategies.</a> ACS Chem Neurosci. 6 (1), 48-67 (2015).</li>
<li>Nguyen, D. P., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Micro-drive+array+for+chronic+in+vivo+recording%3A+tetrode+assembly%5BTitle%5D)+AND+%22J+Vis+Exp%22%5BJournal%5D)">Micro-drive array for chronic in vivo recording: tetrode assembly.</a> J Vis Exp. (26), e1098(2009).</li>
<li>Biran, R., Martin, D. C., Tresco, P. A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Neuronal+cell+loss+accompanies+the+brain+tissue+response+to+chronically+implanted+silicon+microelectrode+arrays%5BTitle%5D)+AND+%22Exp+Neurol%22%5BJournal%5D)">Neuronal cell loss accompanies the brain tissue response to chronically implanted silicon microelectrode arrays.</a> Exp Neurol. 195 (1), 115-126 (2005).</li>
<li>Vöröslakos, M., Petersen, P. C., Vöröslakos, B., Buzsáki, G. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Metal+microdrive+and+head+cap+system+for+silicon+probe+recovery+in+freely+moving+rodent%5BTitle%5D)+AND+%22eLife%22%5BJournal%5D)">Metal microdrive and head cap system for silicon probe recovery in freely moving rodent.</a> eLife. 10, e65859(2021).</li>
<li>IMEC Neuropixels 1.0 User Manual V1.0.8. , Available from: 
 <a target="_blank" href="https://www.neuropixels.org/_files/ugd/328966_ca209d53ffb346b3bf98be39b903efa9.pdf">https://www.neuropixels.org/_files/ugd/328966_ca209d53ffb346b3bf98be39b903efa9.pdf</a> (2023).</li>
<li>Baranauskas, G., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Carbon+nanotube+composite+coating+of+neural+microelectrodes+preferentially+improves+the+multiunit+signal-to-noise+ratio%5BTitle%5D)+AND+%22J+Neural+Eng%22%5BJournal%5D)">Carbon nanotube composite coating of neural microelectrodes preferentially improves the multiunit signal-to-noise ratio.</a> J Neural Eng. 8 (6), 066013(2011).</li>
<li>Niell, C. M., Stryker, M. P. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Modulation+of+visual+responses+by+behavioral+state+in+mouse+visual+cortex%5BTitle%5D)+AND+%22Neuron%22%5BJournal%5D)">Modulation of visual responses by behavioral state in mouse visual cortex.</a> Neuron. 65 (4), 472-479 (2010).</li>
<li>Okun, M., Carandini, M., Harris, K. D. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Long+term+recordings+with+immobile+silicon+probes+in+the+mouse+cortex%5BTitle%5D)+AND+%22bioRxiv%22%5BJournal%5D)">Long term recordings with immobile silicon probes in the mouse cortex.</a> bioRxiv. , (2015).</li>
<li>Chung, J., Sharif, F., Jung, D., Kim, S., Royer, S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Micro-drive+and+headgear+for+chronic+implant+and+recovery+of+optoelectronic+probes%5BTitle%5D)+AND+%22Sci+Rep%22%5BJournal%5D)">Micro-drive and headgear for chronic implant and recovery of optoelectronic probes.</a> Sci Rep. 7 (1), 2773(2017).</li>
<li>Bimbard, C., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((An+adaptable%2C+reusable%2C+and+light+implant+for+chronic+Neuropixels+probes%5BTitle%5D)+AND+%22bioRxiv%22%5BJournal%5D)">An adaptable, reusable, and light implant for chronic Neuropixels probes.</a> bioRxiv. , (2024).</li>
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<li>Neuronexus Products - dDrive. , Available from: 
 <a target="_blank" href="https://www.neuronexus.com/products/accessories/microdrives/ddrive/">https://www.neuronexus.com/products/accessories/microdrives/ddrive/</a> (2024).</li>
<li>van Daal, R. J. J., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Implantation+of+Neuropixels+probes+for+chronic+recording+of+neuronal+activity+in+freely+behaving+mice+and+rats%5BTitle%5D)+AND+%22Nat+Protoc%22%5BJournal%5D)">Implantation of Neuropixels probes for chronic recording of neuronal activity in freely behaving mice and rats.</a> Nat Protoc. 16 (7), 3322-3347 (2021).</li>
<li>Guo, Z. V., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Procedures+for+behavioral+experiments+in+head-fixed+mice%5BTitle%5D)+AND+%22PLoS+One%22%5BJournal%5D)">Procedures for behavioral experiments in head-fixed mice.</a> PLoS One. 9 (2), e88678(2014).</li>
<li>Groblewski, P. A., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((A+standardized+head-fixation+system+for+performing+large-scale%2C+in+vivo+physiological+recordings+in+mice%5BTitle%5D)+AND+%22J+Neurosci+Methods%22%5BJournal%5D)">A standardized head-fixation system for performing large-scale, in vivo physiological recordings in mice.</a> J Neurosci Methods. 346, 108922(2020).</li>
<li>Vasilev, D., Raposo, I., Totah, N. K. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Brightness+illusions+evoke+pupil+constriction+preceded+by+a+primary+visual+cortex+response+in+rats%5BTitle%5D)+AND+%22Cereb+Cortex%22%5BJournal%5D)">Brightness illusions evoke pupil constriction preceded by a primary visual cortex response in rats.</a> Cereb Cortex. 33 (12), 7952-7959 (2023).</li>
</ol>

TS、AN 和 MNH 是 3Dneuro B.V. 的联合创始人，该公司生产本方案中使用的开源微型驱动器和法拉第头冠。FB 和 PT 是 33Dneuro B.V. 科学顾问委员会的成员。FB 和 PT 担任该职位不获得任何经济报酬。

本文介绍了一种快速、安全且标准化的探针植入方案，该方案还可在实验结束后实现探针的回收与重复使用。该方法采用模块化的植入组件系统，具体包括一个微驱动装置（microdrive），可兼容所有常见的硅探针和记录系统；一个可用于固定头部行为学实验的头板（headplate）；以及一个可穿戴的法拉第笼，用于保护植入装置。这一组合使用户能够灵活地将植入系统适配于不同的实验范式，例如固定头部与自由活动行为实验之间的切换，或在无需法拉第笼的情况下实现植入装置的小型化，与在需要长期稳定信号时使用法拉第笼之间的权衡——同时无需牺牲植入过程的标准化程度。
该方法通过预制元件（无需手工组装）使慢性电生理记录更加标准化，通过探针回收降低了成本，通过简化手术步骤减少了操作时间，并通过减小植入物尺寸和实现无应激头部固定，更易于兼顾动物福利与行为学实验。因此，本方案旨在使行为动物电生理植入技术能够被该领域前沿先驱实验室之外更广泛的科研人员所掌握。
为实现这一目标，本方案旨在最大限度地减少微驱动植入中多个通常同等关键因素之间的权衡，这些因素包括灵活性、模块化、植入便捷性、稳定性、总体成本、与行为实验的兼容性以及探针的可重复使用性。目前可用的方法往往在其中某些方面表现优异，但会严重牺牲其他特性。例如，对于需要长期绝对植入稳定性的应用场景，最佳方案可能是将探针直接用水泥固定在颅骨上25。然而，这种方法也导致探针无法重复使用，且在记录质量不佳时无法重新定位记录位点，同时与标准化的植入定位不兼容。类似地，AMIE驱动器为探针的可回收植入提供了一种轻量化、低成本的解决方案，但它仅限于单个探针，并且在目标坐标的定位上存在限制17。而在另一端，一些 commercially available 的纳米驱动器（见表116,17,21,26,27,28,29,30）体积极小，可自由放置于颅骨上，并能最大化单只动物可植入的探针数量16。然而，与其他方案相比，它们成本高昂，要求实验人员具备高超的手术技能才能成功植入，且不允许探针重复使用。Vöröslakos 等人开发的微驱动器21，其轻量化版本也包含在本方案中，通过牺牲较小的植入体积，换取更佳的操作便捷性、更低的成本和探针的可重复使用性。
表1：啮齿类动物慢性探针植入常用策略的比较。可用性：微驱动装置是否为开源（供研究人员自行制作）、商业化产品，或两者兼具。模块化：集成式系统由一个或少数几个组件构成，彼此之间位置固定；而模块化系统允许在植入体制作完成后，自由调整探针/微驱动装置相对于保护结构（头帽/法拉第笼）的位置（例如在手术时）。模块化程度依据所列植入体的已发表信息或植入方案确定。头部固定：是：植入体设计中集成了用于头部固定的机制；X：植入体预留了空间，可方便地额外添加头板用于固定；否：植入体设计可能导致空间冲突，或需进行重大设计修改才能与头部固定装置配合使用。探针定位：受限：探针位置在植入体设计阶段即已限定；灵活：探针位置可在手术过程中进行调整。探针数量：可植入的探针数量。需注意，无论采用何种植入系统，在小鼠身上植入&#62;2个探针均面临显著挑战。探针可重复使用性：理论上探针是否可重复使用。重量/体积：植入体的重量和体积大小。<a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/66867/Table 1.xlsx" target="_blank">请点击此处下载该表格。</a>
为了更无缝地协调这些不同的需求，DREAM 植入装置在 Vöröslakos 植入装置的基础上进行了设计21，但进行了若干根本性改进。首先，为减轻整体植入物重量，此处使用的微型驱动器采用机械加工的铝材而非3D打印的不锈钢制造，同时法拉第屏蔽罩也实现了微型化，根据头板材料的选择，整体重量减轻了1.2–1.4 g（见表2）。其次，围绕微型驱动器设计的头板具备集成的头部固定机制，可在实现快速且无应激的头部固定的同时，作为法拉第笼的基础结构，使神经记录的大多数潜在靶区均可被触及，并仅增加极小的重量。该固定结构的扁平形状以及无突出部分的设计，也确保了对动物视野或运动能力的影响降至最低（见图2A-C），明显优于以往系统31,32。与先前设计相比，固定在头板上的法拉第屏蔽罩和环也进行了重大修改。新设计在整个手术过程中无需任何临时调整（例如连接器位置的调整）或焊接操作，从而消除了可能导致植入物损坏以及植入物质量不可预测变异的潜在因素。相反，DREAM 植入装置提供了多种标准化的屏蔽罩环变体，允许将每个连接器置于四个预定义位置之一，从而最大限度地减少手术过程中的变异性和操作负担。最后，通过优化植入系统以实现探针回收，DREAM 植入装置使实验人员能够显著降低每个植入装置的成本和制备时间，因为微型驱动器和探针通常可一并回收、清洁并重复使用。
有关不同植入系统所带来权衡的更全面概述，请参见表1。尽管本文所述方法在某些方面（例如尺寸、稳定性或成本）通常无法与其他所有策略相比达到最佳性能，但其在所有这些参数上均处于较高水平，因而更易于适用于多种实验场景。
该方案中有三个方面需要根据每个具体应用场景进行特别调整：地线和参考电极的配置、微驱动装置的粘固技术，以及通过神经记录进行植入验证。首先，在植入地线和参考电极针时，目标是找到机械/电气稳定性与侵入性之间的最佳平衡点。例如，嵌入琼脂中的漂浮银丝虽然比骨螺钉侵入性更小33，但长期使用可能更容易松动。使用电极针并结合琼脂，既能确保稳定的电连接，又在插入过程中更易于控制，从而避免组织损伤。固定在颅骨上的地线电极针不易脱落，即使导线与针发生分离，由于植入针具有较大的表面积和良好的稳定性，通常也易于重新连接。
表2：DREAM植入物与Vöröslakos等人21所述植入物的组件重量比较。 <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/66867/Table 2.xlsx" target="_blank">请点击此处下载该表格。</a>
其次，微驱动装置的固定通常应在将探针插入脑组织之前进行。这样可以防止在插入过程中，由于微驱动装置在立体定位仪上未完全固定而导致探针在脑内发生侧向移动。在用牙科水泥固定微驱动装置前，可短暂地将探针杆的尖端下放，以确认其与脑组织的接触位置，因为显微镜存在视差偏移，难以准确推断探针触碰到脑组织的位置。一旦确定了微驱动装置的位置，可在固定前选择用硅胶弹性体覆盖颅骨开窗区域，以防止水泥意外接触开窗部位；但不建议将探针穿过硅胶弹性体下放，因为硅胶弹性体残留物可能被带入脑组织，引发炎症和胶质增生。
第三，根据所采用的实验方案，术后立即进行测试记录可能有用，也可能无用。通常情况下，探针插入后立即记录到的神经元活动并不能直接代表慢性记录时的活动，原因包括探针周围短暂的脑组织肿胀和组织移动等&#160;因素，这意味着插入深度以及动作电位波形均难以立即稳定。因此，即刻记录主要用于确认总体信号质量和植入物的完整性。建议在术后数天、待脑组织稳定后，再使用可移动的微型驱动滑块对探针位置进行精细调节。这样做还有助于避免探针每日移动超过 1000 µm，从而减少对记录位点的损伤，提高记录位点的长期可用性。
最后，用户可能希望调整该系统以同时记录多个目标位置。由于该系统具有模块化设计，用户在组装和布置各组件的相对位置方面具有较大的灵活性（见上文及补充图3和补充图4）。这包括可对系统进行改造，使水平延伸的穿梭装置能够安装在微型驱动器上，从而实现多个探针或大型多束探针的植入，也可同时植入多个独立的微型驱动器（见补充图3和补充图4）。此类改造仅需使用经过调整的冠状环，增加用于连接器/接口板/前置放大器的安装区域即可。然而，该设计的空间限制由动物模型决定，本例中为小鼠，因此相较于独立植入多个微型驱动器，将多个探针堆叠于单个微型驱动器上在占用空间方面更具优势。此处使用的微型驱动器可支持探针堆叠，因此实际限制仅在于能够满足动物模型所规定的空间和重量限制的前置放大器或连接器的数量。此外，还可使用间隔件进一步增加非垂直方向的安装与插入路径。
总之，本方案实现了探针的低成本、轻量化且重要的是可调节的植入，其微驱动设计还具有优先保障探针回收的额外优势。该方案解决了单次使用探针成本过高、手术与植入技术门槛较高，以及商用慢性植入解决方案往往难以适应特殊应用场景等问题。这些问题对已开展急性电生理研究的实验室构成了痛点，也对尚未开展电生理实验的实验室形成了阻碍。本系统旨在突破上述限制，促进慢性电生理研究的更广泛开展。

<a href="https://app.jove.com/t/6665">This corrects</a> the article <a href="https://https://dx.doi.org/10.3791/66867">10.3791/66867</a>

An erratum was issued for:&#160;<a href="https://www.jove.com/t/66867">The DREAM Implant: A Lightweight, Modular, and Cost-Effective Implant System for Chronic Electrophysiology in Head-Fixed and Freely Behaving Mice</a>. The Authors&#160;section was&#160;updated.

Erratum: The DREAM Implant: A Lightweight, Modular, and Cost-Effective Implant System for Chronic Electrophysiology in Head-Fixed and Freely Behaving Mice

慢性植入硅探针的电生理学技术已成为研究行为动物（尤其是小鼠）神经活动与连接性的强大手段，这主要得益于小鼠在遗传和实验操作上的可及性1特别是层状硅探针&#160;已被证明是识别皮层柱内功能关系的宝贵工具2 并将大型神经元群体动态与行为之间的关系以此前无法实现的方式进行关联3.
目前记录活体神经活动的两种互补方法被视为金标准：双光子显微镜技术4,5 和细胞外电生理记录6。记录方法的选择决定了可获得的读数性质：双光子显微镜技术特别适用于在长时间内对大量神经元中可 individually identifiable 的单个神经元进行纵向研究，但其设备成本高昂，且在完整大脑中仅限于皮层浅层。此外，其典型的时间分辨率约为 ~30 Hz，限制了其捕捉持续神经元动态的能力7,8。
相比之下，电生理记录具有高时间分辨率（高达 40 kHz），可逐 moment 地追踪神经元活动，适用于多种物种及不同皮层深度，且其设备成本相对低于双光子显微镜。然而，识别单个神经元以及对神经元群体进行长期追踪较为困难，这一局限在金属丝电极（例如四极电极）和急性电极插入中尤为明显。除了无法在不同记录会话之间追踪同一神经元9外，反复的急性插入还会造成局部组织损伤10，引发免疫反应11，增加感染和胶质增生的风险。这最终会降低记录到的神经元活动的稳定性，并缩短实验动物的寿命，从而将采用急性电生理记录的纵向研究限制在短短数天之内12。
慢性高密度硅探针记录旨在结合急性电生理学和双光子成像的一些最佳特性。与双光子成像相比，它能够在多次记录会话中追踪神经元群体动态，仅在一定程度上降低了对单个神经元的识别能力13。这些记录提供了记录信号在空间分布上的高度灵活性和精确的时间分辨率，同时相较于急性记录，显著延长了实验动物的使用寿命并改善了其健康状况14。此外，与急性记录不同，慢性电生理记录仅需一次植入操作，有效降低了感染和组织损伤的风险，并减少了动物所承受的压力15。总体而言，这些优势使慢性电生理学成为研究神经系统结构与功能的有力工具。
然而，小鼠常用的慢性植入技术使研究人员不得不在行为记录的兼容性、植入物重量、植入的可重复性、经济成本以及整体操作便捷性之间做出重大权衡。许多植入方案并未设计为可重复使用探针16，这显著提高了单次实验的实际成本，从而使一些实验室在经济上难以开展慢性电生理研究。此外，这些方案通常需要大量的内部原型制作和设计工作，而并非所有实验室都具备相应的专业技术与资源。
另一方面，集成式植入系统17为啮齿类动物的慢性电生理研究提供了一种更易于普及的解决方案。这类系统将固定探针的微型驱动装置与植入物的其余部分整合在一起，以简化植入物的操作和手术流程。然而，一旦植入，此类系统可能头重脚轻，限制实验者根据不同的目标坐标灵活调整实验设计。此外，它们的重量通常使小型动物无法接受植入，可能影响动物的正常活动并引发应激反应18。这会对幼年动物和雌性动物群体的研究造成更显著的影响，因为这些群体更易受到重量限制的影响。
此外，并非所有集成系统都允许在植入后调整电极位置。这一点非常重要，因为探针插入引起的胶质增生或瘢痕形成19，尤其是在植入后的最初48小时内20，可能会降低记录到的神经元活动的质量。对探针插入深度进行微调可减轻这些对信号完整性的不利影响。因此，即使是在沿长度方向分布有大量电极的探针中，通常称为微驱动装置的微定位机构仍然具有显著优势。
为了克服此类权衡，我们提出了一种用于小鼠的新型慢性电生理植入系统，该系统通过提供轻量化、低成本且模块化的解决方案，解决了以往设计的局限性。DREAM 植入系统的设计重量小于小鼠典型体重的 10%（约 2.1 g），可确保动物福利并最大程度减少对行为的影响。对 DREAM 植入系统设计的验证表明，其对行为关键指标（如运动能力）的影响极小——而当在啮齿类动物颅骨上施加负载时，运动能力通常会受到显著影响。该系统可惠及使用自由活动和头部固定动物的实验范式，通过提升动物福祉，支持更符合自然行为学的实验设计。
该系统包含一个微驱动装置，可灵活调节记录深度至7 mm，并能适配多种类型的探针和记录设备，为研究人员提供了用于各种实验应用的经济高效且多功能的工具。该系统通常与金属微驱动装置结合使用21，相较于其他系统，其探针回收率稳定（预计平均回收率：每根探针可可靠重复使用约三次），并显著降低了单次实验的成本。
该设计采用3D打印的保护性法拉第笼，能够以较低成本有效防护电生理噪声、机械冲击和感染性物质，实现稳定且无噪声的记录，并显著降低感染率。这种可植入式笼状结构包含所谓的“冠部”，用于抗冲击，并为法拉第笼的导电金属网涂层提供结构支撑；还包括冠环，用于安装可植入式放大器和/或探针连接器（见图1）。
最后，模块化植入系统中包含的头板设计为可与一种新型高效头部固定系统兼容，且不会增加植入物的额外体积。与其他现有系统相比，该系统无需在植入物附近拧紧小螺丝，从而加快了小鼠在实验装置中的固定速度，改善了实验人员与动物之间的关系，并提高了动物的行为依从性。同时，该头板还可用作构建DREAM慢性电生理系统其他模块的基础平台。
DREAM 植入体的设计文件已作为开源硬件发布在&#160;https://github.com/zero-noise-lab/dream-implant/。下文将介绍 DREAM 植入体系统的设计与制造过程，展示其在小鼠模型中的成功应用，并讨论相较于现有系统的优势与潜在应用前景。&#160;

<table><tbody><tr><td>0.05&quot; 焊接引脚插座</td><td>Mill-Max</td><td>853-93-100-10-001000</td><td></td></tr><tr><td>1,1'-二十八烷基-3,3,3',3'-四甲基吲哚羰花青高氯酸盐（“DiI”；DiIC18(3)）</td><td>ThermoFisher</td><td>D282</td><td>用于更易进行组织学验证探针位置的亲脂性染料</td></tr><tr><td>粘性橡皮泥（Blu-Tack）</td><td>Bostik</td><td>308590110</td><td>类似产品（例如Pritt品牌）可在文具店购买</td></tr><tr><td>琼脂</td><td>Sigma Aldrich</td><td>A1296</td><td>用生理盐水配制以增强导电性</td></tr><tr><td>放大器（Miniamp-64）</td><td>Cambridge Neurotech</td><td></td><td>微型可植入式放大器和数字化器。也可选用其他可植入式数字化器或可植入式Omnetics连接器</td></tr><tr><td>镇痛乳膏（EMLA乳膏）</td><td>Aspen</td><td>39699/0088</td><td>用于手术镇痛的乳膏，含丙胺卡因和利多卡因</td></tr><tr><td>角度间隔器</td><td>3DNeuro</td><td></td><td>用于非垂直驱动安装的角度间隔器。开源设计，也可在 https://github.com/zero-noise-lab/dream-implant/ 获取</td></tr><tr><td>蓝色LED光固化灯</td><td>B.A. International</td><td>818223</td><td>用于底漆聚合的固化光源，波长为420–480 nm</td></tr><tr><td>骨蜡</td><td>SMI</td><td>Z046</td><td>用于保护开颅部位和术后探针的蜡状物</td></tr><tr><td>丁丙诺啡</td><td>Elanco Europe LTD</td><td>401513</td><td>注射用丁丙诺啡溶液（0.3 mg/mL）</td></tr><tr><td>铜网</td><td>Dexmet</td><td>3CU6-050FA</td><td>用于对探针和开颅部位进行电学和物理屏蔽的铜网</td></tr><tr><td>氰基丙烯酸酯胶（Loctite）</td><td>Loctite</td><td>1363589</td><td>氰基丙烯酸酯凝胶胶水</td></tr><tr><td>牙科水泥（SuperBond C&amp;B）</td><td>Sun Medical</td><td>K058E</td><td>牙科水泥（SuperBond）</td></tr><tr><td>脱毛膏（Veet）</td><td>Veet</td><td>310000091434</td><td>用于清除手术区域周围毛发的脱毛膏</td></tr><tr><td>恩诺沙星（Baytril）</td><td>Elanco Europe LTD</td><td>00879/4117</td><td>注射用恩诺沙星溶液（25 mg/mL）</td></tr><tr><td>法拉第笼冠</td><td>3DNeuro</td><td></td><td>3D打印的可植入保护笼。开源设计，也可在 https://github.com/zero-noise-lab/dream-implant/ 获取</td></tr><tr><td>法拉第环</td><td>3DNeuro</td><td></td><td>用于法拉第笼的3D打印可植入保护环。开源设计，也可在 https://github.com/zero-noise-lab/dream-implant/ 获取</td></tr><tr><td>止血海绵</td><td>SMI</td><td>ZHG101010</td><td>可吸收明胶止血海绵</td></tr><tr><td>热缩管</td><td>HellermannTyton</td><td>TA32-9/3 BK</td><td>用于制作软头镊子的热缩管</td></tr><tr><td>碘液</td><td>Braunol</td><td>9322507</td><td>水溶性聚维酮碘溶液</td></tr><tr><td>安乃近（Novalgin）</td><td>Sanofi-Aventis Gmbh</td><td>4527098</td><td>注射用安乃近（500 mg/mL）</td></tr><tr><td>安乃近（Novalgin）</td><td>Sanofi-Aventis Gmbh</td><td>1553758</td><td>安乃近溶液</td></tr><tr><td>微驱动装置（R2Drive）</td><td>3DNeuro</td><td></td><td>带有可移动滑块的可回收金属微驱动装置。开源设计，也可在 https://buzsakilab.github.io/3d_print_designs/ 获取</td></tr><tr><td>矿物油</td><td>Sigma-Aldrich</td><td>M5310-100ML</td><td>用作溶剂以制备开颅保护凝胶的油</td></tr><tr><td>无脱落擦拭巾（Kimtech）</td><td>Kimtech</td><td>7552</td><td>无脱落擦拭巾</td></tr><tr><td>底漆</td><td>Bisco</td><td>B-7202P</td><td>通用颅骨粘合剂，防止湿气侵蚀水泥，并为水泥构建提供牢固基础</td></tr><tr><td>R2Drive固定架</td><td>3DNeuro</td><td></td><td>用于安装R2Drive的立体定位附件。开源设计，也可在 https://buzsakilab.github.io/3d_print_designs/ 获取</td></tr><tr><td>自粘性包扎带</td><td>3M</td><td>VB050</td><td>术后用于保护植入物的包扎带</td></tr><tr><td>硅探针（H2）</td><td>Cambridge Neurotech</td><td></td><td>可长期植入的线性硅探针，含32个通道。也可使用其他类型的探针</td></tr><tr><td>硅橡胶弹性体（Duragel）</td><td>Cambridge Neurotech</td><td></td><td>硅橡胶弹性体</td></tr><tr><td>硅胶敷料（Kwikcast）</td><td>WPI</td><td>KWIK-CAST</td><td></td></tr><tr><td>银导电环氧树脂</td><td>MG Chemicals</td><td>8331D-14G</td><td>银环氧树脂</td></tr><tr><td>5号Dumont镊子</td><td>FSTools</td><td>11251-10</td><td>用于提起骨瓣的小型镊子</td></tr><tr><td>不锈钢丝，特氟龙涂层</td><td>Science Products GmBH</td><td>SS-3T</td><td>接地线</td></tr><tr><td>立体定位仪（RWD）</td><td>RWD</td><td>68803</td><td>用于小鼠手术的立体定位仪</td></tr><tr><td>Tergazyme</td><td>Alconox</td><td>1304</td><td>一种可用于清洁探针的酶类清洗剂</td></tr><tr><td>双组分快固环氧树脂</td><td>Gorilla</td><td>EP3</td><td>用于永久粘合DREAM植入部件的环氧树脂</td></tr><tr><td>Vannas弹簧剪（圆柄）</td><td>FSTools</td><td>15403-08</td><td>0.075 mm直头弹簧回弹式兽用剪刀</td></tr><tr><td>兽用氰基丙烯酸酯胶（Vetbond）</td><td>3M</td><td>70-0068-5256-3</td><td>兽用氰基丙烯酸酯胶</td></tr></tbody></table>

dream 植入体：一种用于固定头部及自由活动小鼠慢性电生理记录的轻量化、模块化且经济高效的植入系统

The DREAM Implant: A Lightweight, Modular, and Cost-Effective Implant System for Chronic Electrophysiology in Head-Fixed and Freely Behaving Mice

在啮齿类动物中进行的慢性电生理记录显著加深了我们对神经元动态及其行为相关性的理解。然而，目前用于长期植入探针的方法在成本、使用便捷性、尺寸、适应性和长期稳定性之间存在着较大的权衡。
本方案介绍了一种名为DREAM（动态、可回收、经济、适应性强且模块化）的新型小鼠慢性探针植入系统，旨在克服现有可选方案中存在的权衡问题。该系统提供了一种轻量化、模块化且成本效益高的解决方案，采用标准化的硬件组件，可灵活组合并以简单步骤进行植入，同时能够安全取出探针以实现回收和多次重复使用，显著降低实验成本。
DREAM 植入系统集成了三个硬件模块：（1）一种微驱动装置，可承载所有标准硅探针，允许实验人员在最高达 7 mm 的行程范围内调节记录深度；（2）一种可三维（3D）打印、开源设计的可穿戴式法拉第笼，表面覆盖铜网，用于电磁屏蔽、抗冲击保护和连接器定位；（3）一种微型化的头部固定系统，以提升动物福利并提高操作便捷性。相应的手术方案已针对操作速度（总时长：2 小时）、探针安全性和动物福利进行了优化。
植入物对动物的行为谱影响极小，在自由活动和头部固定条件下均易于应用，并可在植入后数周的数据收集中提供清晰可辨的尖峰波形和健康的神经元反应。感染及其他手术并发症极为罕见。
因此，DREAM植入系统是一种多功能且经济高效的解决方案，适用于小鼠的慢性电生理研究，可提升动物福利，并支持更符合自然行为学的实验。该系统的设计简化了多种研究需求下的实验流程，使更多研究实验室能够开展啮齿类动物的慢性电生理研究。

本方案介绍了一种慢性植入系统，可使研究人员在活动的小鼠中实现轻量、经济且安全的长期电生理记录（图1）。决定该方法成功应用的主要因素包括：颅骨表面完全覆盖牙科水泥、微创且得到妥善保护的颅骨开窗、微驱动装置及导线牢固地固定于颅骨，以及屏蔽用法拉第材料的完整连续性。若上述各要点均得到妥善处理，则可稳定获得高质量的记录数据。以下展示了与手术成功相关的主要方面的代表性结果：
1) 植入物是否干扰动物的行为或健康状况？ 
2) 信号质量是否较高，且能否在较长时间内维持信号？ 
3) 记录是否能够轻松地与任务执行相结合？
为了评估植入物对动物行为的影响，我们分析了五只植入动物的运动轨迹模式。图2A展示了某只动物在植入前和植入后1周时，在活动笼内自由活动10分钟的示例。可以看出，其运动模式未发生改变。这一观察结果由图2B和C进一步证实，这些图显示了各动物运动速度和头部方向的分布情况。植入前后，动物的奔跑速度和头部方向基本保持不变，甚至术后奔跑速度略有升高。补充视频1展示了动物在植入手术后第6天的短时视频记录。在家庭环境中的典型笼内行为，如运动、理毛、直立和觅食等均清晰可见，表明动物已成功从手术中恢复，且整体健康状况良好。植入物对行为影响较小，最可能的原因是其重量轻且高度适中。
<img alt="植入前后在轨迹图、速度和航向角图中的运动比较。" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/66867/66867fig02.jpg" data-altupdatedat="1775223722000" data-alt="图 2"> 
图 2：手术前后运动情况。 （A）一只动物在植入前（左图）和植入后（右图）的运动示例。x/y 坐标单位为厘米，各点表示动物在10分钟内每个时间点的位置。（B）5只动物在植入前5个阶段和植入后3个阶段的运动速度分布（单位：cm/s）。（C）与（B）中相同阶段分析得到的不同运动方向的概率核密度图。<a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/66867/66867fig02large.jpg" target="_blank">请点击此处查看该图的放大版本。</a>
接下来，评估局部场电位（Local Field Potential, LFP）和记录位点上的尖峰活动的信号质量。此处展示了来自初级视皮层（V1）皮层记录的代表性数据。为验证结果，使用Kilosort 3从清醒小鼠V1区记录的宽带神经信号中提取了疑似单细胞单位活动（见图3）。图3A显示了探针杆上提取出的单个神经元单位的位置，图3B显示了相应的尖峰波形，图3C显示了相同神经元对电流源密度（current source density, CSD）实验范式的放电反应。在此范式中，全视野闪光刺激持续时间为300 ms，频率为1 Hz（即开启300 ms，关闭700 ms），共进行200次试验。最后，图3D显示了这些神经元单位对视觉感受野定位映射范式的反应，该范式包含2000帧随机选择的黑白方块，背景为灰色，每帧持续16.6 ms。每个方块覆盖12度的视觉角度，从15 × 5个可能位置中随机选取，使得整个映射范式覆盖方位角-90至+90度、仰角-30至+40度的视觉空间。通过分析每个刺激帧后40–140 ms延迟窗口内16.6 ms时间窗中的最大放电率（根据每个通道在该时间窗内的最大活动确定最佳延迟），提取每个刺激帧的放电率反应。此类记录可用于指导调整每个电极的插入深度，并在植入手术后评估信号质量。
<img alt="使用电压图、放电率和视觉角度热图进行神经记录分析；电生理学研究。" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/66867/66867fig03.jpg" data-altupdatedat="1775223722000" data-alt="图 3"> 
图 3：记录到的神经元信号。（A）通过Kilosort 3脉冲排序软件对探针电极接触点上单个神经元单元进行分类后推断出的位置。（B）与A中相同神经元单元在5 ms时间范围内的脉冲波形。细线：单个脉冲波形；粗线：平均脉冲波形。（C）在电流源密度（CSD）范式刺激下的脉冲点阵图，该范式呈现持续300 ms的全视野闪光，随后是700 ms的黑屏。图中显示了与A和B中相同的神经元单元的响应。叠加的彩色线表示相同响应的刺激前-后时间直方图（PSTH）。PSTH的放电率以10 ms的时间窗进行计算，然后通过整个PSTH中的最大放电率进行归一化处理。时间0点为中心对齐于全视野闪光刺激。（D）与A–C中相同神经元单元的感受野估计，通过稀疏噪声感受野定位范式测量。每个图显示了在16.6 ms分析时间窗内的平均放电率活动，对应白色和黑色方块刺激的起始（左图）或终止（右图）。刺激持续时间为16.6 ms，在一个横跨180度视觉角度（水平方向）和70度视觉角度（垂直方向）的5 × 15方格网格中随机呈现。放电率活动在整个感受野网格上进行了z分数标准化处理（见颜色条）。<a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/66867/66867fig03large.jpg" target="_blank">请点击此处查看该图的放大版本。</a>
在数周至数月的重复记录中，记录质量始终保持较高水平。图4A展示了来自一只动物持续15周的纵向LFP记录。LFP记录是在上述CSD范式刺激下进行的（见图3A-C）。图4A显示了闪光刺激开始后500 ms内的平均LFP反应。本示例中使用了具有32个通道的线性探针，电极间距为25 µm。请注意，在第18天时调整了探针深度，将探针向下移动了600 µm。在此调整前后，LFP信号在各次记录日之间均保持稳定。
与此一致，在多次记录中均可识别出疑似单个神经元的峰电位波形。图4B展示了在一个月内的三次记录会话中具有代表性的峰电位波形示例，表明单个神经元活动可在长时间内被成功识别。图4C显示了在六只动物中通过慢性记录提取出的疑似单个神经元的总体数量，记录时间跨度最长可达100天。单个神经元的定义依据Kilosort 3.0的默认标准（见补充表1）。如图所示，植入后第一周内，清晰定义的单个神经元数量通常约为40个，随后逐渐减少，最终趋于一个约20个单位的稳定平台期。鉴于这些记录使用的是32通道线性探针，这意味着植入后每个电极平均可获得约1.25个单个神经元，而在长期记录中则下降至每个电极约0.65个单个神经元。在多次记录过程中反复连接植入物的放大器/连接器并未对记录质量或植入物稳定性造成明显影响，因为固定放大器/连接器的法拉第屏蔽罩能够承受超过10牛顿的重复作用力，远高于标准连接器所需的最大对接力一个数量级（见补充视频2）。
<img alt="神经信号稳定性分析；多日电极数据；包含电压-时间图和趋势的图表。" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/66867/66867fig04.jpg" data-altupdatedat="1775223722000" data-alt="图 4"> 
图 4：神经元记录随时间的稳定性。（A）慢性植入探针所有32个通道在植入后第3至110天对全视野闪光CSD刺激的平均LFP活动。红色垂直线表示由于术后第18天通道0-8记录位置已超出脑组织，探针被下移至新位置。（B）同一慢性植入探针在连续四周内重复记录的三个示例神经元单元的峰电位波形。细线：单个峰电位波形；粗的重叠线：平均峰电位波形。（C）Kilosort 3在6只动物的记录日中检测到的假定单单元数量（见插图图例）。红色方块表示探针移动的日期。虚线表示每次记录所用植入电极的数量（32个）。<a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/66867/66867fig04large.jpg" target="_blank">请点击此处查看该图的放大版本。</a>
最后，本方案提供了一套模块化系统，包括微驱动装置、可穿戴的法拉第笼以及兼具植入基座和头部固定功能的头板，从而实现了慢性电生理记录与头部固定行为的结合。此处展示了小鼠在球形跑步机上穿越虚拟环境时的示例数据。图5A显示了一个典型实验中20个记录单元与跑步行为相关的放电活动。图5B展示了单个经尖峰分类的神经单元的放电活动与跑步速度之间多样但稳健的关系，图5C则展示了该效应的群体平均结果，证实了运动行为对啮齿类动物V1区神经元活动的显著影响24。
<img alt="神经活动与跑步速度图，尖峰率与速度分析，多单位比较。" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/66867/66867fig05.jpg" data-altupdatedat="1775223722000" data-alt="Figure 5"> 
图5：头部固定行为期间的神经元反应。（A）一个示例实验中单个神经元反应的点阵图，叠加了跑步速度（紫色线）和所有单个神经元的平均放电率（浅蓝色线）。（B）六个示例神经元在不同跑步速度类别下的单神经元活动。（C） 一个示例记录会话中所有单个神经元的平均尖峰活动，按跑步速度分布的五个五分位数绘制。该会话中的跑步速度范围为0至0.88米/秒。<a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/66867/66867fig05large.jpg" target="_blank">请点击此处查看该图的放大版本。</a>
补充表1：显示Kilosort 3在识别本研究所示记录中的单个神经元时所使用的默认参数的表格 图3, 图4，以及 图5. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/66867/Supplementary%20Table%201.zip" target="_blank">请点击此处下载此文件。</a>
补充视频 1：植入物植入后动物运动活动的视频。 在为期 5 天的恢复期结束后拍摄的视频，显示了动物正常的运动行为以及对植入物尺寸和重量的适应情况。可见动物在含有环境丰富化设施的玩耍笼中正常探索。<a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/66867/Supplementary%20video%201.zip" target="_blank">请点击此处下载该文件。</a>
补充视频 2：展示外力施加于组装好的法拉第冠上的视频。 法拉第冠所能承受的力大约比标准连接器（如 4 针极化纳米连接器）所需的连接力大一个数量级。<a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/66867/Supplementary%20Video%202.zip" target="_blank">请点击此处下载该文件。</a>
补充图1：驱动器支架的图像。 可打印的设计文件可在相应的Github仓库中找到（https://github.com/zero-noise-lab/dream-implant/）。<a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/66867/Supplementary%20Figure%201.zip" target="_blank">请点击此处下载该文件。</a>
补充图2：铜网模板。 按原始比例打印该模板，并使用此模板裁剪铜网（步骤2.12）。使用比例尺验证打印比例，如有必要可进行调整。 <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/66867/Supplementary%20Figure%202.zip" target="_blank">请点击此处下载该文件。</a>
补充图3：手术过程中植入装置组装步骤的照片序列。 本示例中安装了两个微型驱动器和两个放大器。 <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/66867/Supplementary%20Figure%203.zip" target="_blank">请点击此处下载该文件。</a>
补充图4：小鼠颅骨示意图，显示了驱动器、颅骨开窗（绿色）和接地/参考引线针（红色）的示例位置。 建议将引线针置于小脑区域，该位置不太可能干扰皮层记录。 <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/66867/Supplementary%20Figure%204.zip" target="_blank">请点击此处下载该文件。</a>

本文介绍了一种轻量化、低成本的探针植入系统，适用于啮齿类动物的慢性电生理实验，该系统在设计上优化了易用性、探针回收性、实验灵活性以及与行为学实验的兼容性。

DREAM 植入体：一种用于固定头部及自由活动小鼠慢性电生理记录的轻量化、模块化且经济高效的植入系统

啮齿类动物的慢性电生理记录已显著增进了我们对神经元动态及其行为相关性的理解。

我们的研究利用虚拟现实任务和对小鼠及猕猴的慢性电生理记录，研究自然状态下的决策过程与规则学习。我们重点关注前扣带皮层与感觉区域（如视觉皮层）之间的相互作用。该研究方法旨在揭示目标导向行为中物种特异性或可推广的计算策略。我认为，在这个领域中，我们正逐渐意识到，如果想要真正理解神经计算，就必须在动物执行对其自身具有意义且自然的行为时进行研究。因此，如果我们同时希望记录神经元活动，那么我们需要的是既坚固又让动物佩戴舒适的植入装置。从技术上讲，我认为目前最大的挑战仍然是在动物执行复杂行为的同时，获得高产量的神经元记录。更普遍地说，我认为让资金较少或技术资源有限的实验室也能更容易地开展电生理学研究非常重要，这样才能确保无论在哪个实验室工作，优秀的科学构想都有机会转化为出色的实验。我们实验室直接比较了小鼠和猴子在执行完全相同的自然主义虚拟环境觅食任务时的神经元活动与行为测量结果。通过这种比较，我们发现它们所经历的许多计算动力学特征和行为状态实际上是完全相同的。DREAM 植入装置结合了该领域已有的各项优势。它重量轻、结构紧凑，同时具有模块化设计、电极放置灵活，并配备了可回收的微驱动装置，从而降低了实验成本。首先，将一个 0.05 英寸焊尾插座焊接到硅探针的接地线上。旋转微驱动装置主体上的螺丝，使微驱动滑块完全向上回缩。将微驱动装置水平放置在微驱动支架上。在微驱动支架上放置一小块黏性橡皮泥。然后，在推移装置上放置一小滴硅胶石膏。将带有柔性电缆的探针放置到微驱动装置的推移装置上。接着，轻轻拉动柔性电缆朝向微驱动装置的顶部，直到电缆的底边与微驱动装置推移装置的底边对齐。将探针的头级连接器放置在持针器顶部的黏性橡皮泥上。使用27号针头或微型刷，将少量氰基丙烯酸酯胶水涂抹于电极主体与穿梭器之间，注意避开挠性电缆。使用硅胶石膏将放大器固定在冠状环上。然后，将柔性电缆连接至放大器，并用一层薄薄的硅胶石膏覆盖连接处和电缆。使用少量环氧树脂将铜网切片固定在法拉第笼上。开始时，将所有无菌外科器械放置在无菌工作平台上。使用棉签，以含碘消毒剂和酒精对麻醉小鼠的剃毛区域进行多次消毒。使用耳杆和鼻夹将小鼠固定于立体定位仪中。进行足垫夹捏以确认麻醉深度。使用小型手术剪，在颅骨顶部的皮肤上剪出一个杏仁形切口，切口范围从人字缝后方开始，延伸至两眼之间。继续剪开以去除皮下膜和骨膜。然后，用手术刀片刮擦颅骨，以去除软膜组织。用手术刀刀尖倒置，在颅骨表面以交叉划痕的方式轻轻刮擦，以粗糙化颅骨表面。交替使用手术刀刀片和无菌棉签，轻轻刮擦并推开附着在人字缝两侧的颈部肌肉，直至将肌肉推至小脑上方颅骨边缘。使用1毫升注射器在皮肤边缘与颅骨边缘之间滴加少量氰基丙烯酸酯胶水。在颅骨上涂抹牙科水泥底漆以增强粘附性，并用紫外光固化。根据前囟或后囟确定探针植入的目标位置，并用外科标记笔在其周围标出开颅范围。使用牙科水泥将头固定板牢固地固定在颅骨上。使用牙科钻头，在颅骨上对应脑区的位置钻出与接头针宽度相同的小孔。用注射器将无菌生理盐水滴加至颅骨开窗处，并用不掉屑的擦拭巾吸除液体。轻柔地将接地针插入每个颅骨开窗中，并在接头针周围涂抹牙科水泥。然后，通过沿边缘进行稳定的移动，钻出较大颅骨开窗的轮廓。为测试已钻骨部分的阻力，用精细镊子轻轻推动该区域。将带有硅探针的微型驱动装置放入微型驱动装置固定架中。调整体视定位仪机械臂的角度，以到达目标脑区。将连接放大器的冠状环套入微驱动装置固定座后部的三个垂直插针上。将微驱动装置下降至距离颅骨开孔处约0.5毫米的位置，然后使用镊子连接接地或参考电极引脚。将体视定位臂连同微驱动装置置于颅骨开窗上方。降低微驱动装置，直至探针针体接触目标区域的硬脑膜。将微驱动装置的基座用牙科水泥固定。使用牙科水泥覆盖基座与颅骨之间的空隙。然后，将硅探针缓慢下降至脑组织上方。当探针的探针臂接触脑组织时，迅速将探针再下降约 250 微米。当探针穿透皮层表面后，应以较慢的速度继续下移。使用1毫升注射器，向颅骨开孔处滴加少量硅酮弹性体。用等量混合的骨蜡与矿物油覆盖硅酮弹性体。当牙科水泥固化后，使用内六角扳手松开微驱动装置固定架。轻轻将固定架向后 retract 约1厘米，使微驱动装置独立直立，同时探针放大器或连接器仍固定在植入固定架上，且柔性电缆无拉伸。通过在开口处拉伸笼体，将预制的牙冠和法拉第网罩水平地套在微驱动装置和柔性电缆外侧，围绕头板放置。然后，使用牙科水泥将其固定在头板上。将带有探针连接器或头级放大器的法拉第屏蔽环套在颅骨上方，使探针放大器或连接器的集成固定装置与法拉第屏蔽环上凹陷的 X 标记区域对齐。在每个辐条与环的连接处滴加一滴牙科水泥，将屏蔽环固定到法拉第笼上。固定后，完全回缩带有微驱动装置的立体定位臂。将探针放大器或连接器接入记录设备，并开始神经信号记录。如果探针尚未到达目标位置，应缓慢逆时针旋转微驱动螺钉以降低探针，同时监测神经信号。当探针上可见神经局部场电位时，结束测试记录并断开前置放大器连接器。用自粘式兽医包裹材料覆盖法拉第笼。

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