Name: 慢性颅窗技术用于猪麻醉期间重复皮质记录 (视频) | JoVE Journal
Uploaded: 2025-06-06T13:45:00.000+00:00
Duration: 7 min 19 s
Description: 学习慢性颅窗技术用于猪麻醉期间重复皮质记录的方法。该技术通过稳定电极-脑组织界面，实现高保真神经信号采集，适用于疼痛研究与神经疾病诊断，同时降低设备故障风险并改善动物福利。

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作者感谢奥尔堡大学医院实验动物设施的动物饲养员和技术人员。神经可塑性与疼痛研究中心（CNAP）由丹麦国家研究基金会（DNRF121）提供支持。图6 和 图8 使用 BioRender 制作。

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</ol>

作者声明无利益冲突。

该技术发展的意义在于消除电极失效模式、降低组织反应，从而提高侵入性皮层记录技术的可靠性。在本研究过程中未出现任何电极失效情况，整个研究共使用了两个ECoG阵列，涵盖了16只动物和43次记录会话。这对科研经济性具有额外的积极影响。若采用传统的完全植入方法12,26,27，在假设无设备失效的前提下，至少需要16个ECoG阵列。然而，失效模式和组织反应仍是颅内脑记录技术广泛应用所面临的重要挑战11,12,13,28,29。本研究显著减少了电极数量，从而同时降低了慢性神经科学研究的成本与风险。
<p class="jove_con...

通常，皮层记录的目的是从大脑神经元信号中提取信息。这些信息可用于多种用途——控制外部设备、通信、疾病诊断或康复治疗1,2,3,4。每种应用对所需信息内容、空间分辨率以及可接受的侵入程度都有独特的要求。因此，自1929年脑电图被发现以来，已开发出一系列具有不同侵入程度和空间分辨率的记录方法5。
通常，这些方法可分为脑电图（EEG）、皮层脑电图（ECoG）和皮层内记录。EEG 是一种非侵入性记录方法，可从全脑捕捉神经振荡和事件相关电位（ERPs）。然而，由于其空间分辨率较低，该方法在精确定位脑活动来源方面能力有限。ECoG 是一种更具侵入性的方法，电极被放置于硬脑膜上或下，通常覆盖皮层较小区域。它具有更高的空间分辨率，能够记录事件相关电位（ERP）和皮层表面局部场电位（LFP）。因此，该方法可更精确地定位脑活动的来源，在例如确定局灶性癫痫起源方面具有重要帮助。皮层内记录是最具侵入性的记录方法，能够记录来自大脑表层或深层单个神经元的动作电位，以及电极周围神经元群体产生的局部场电位（LFP）。这些信号具有极高的空间分辨率和信息含量，但仅由有限数量的神经元（每通道1-10个神经元）产生6。
为了长期（数月到数年）从大脑中提取信息，脑机接口必须保持稳定和可靠，以确保所获取的信号在整个记录期间持续代表相同的信息。脑电图（EEG）记录需要频繁更换电极，导致其可靠性从极低到极高不等7,8,9,10。因此，对于长期记录，通常选择皮层脑电图（ECoG）和皮层内记录方法。然而，这些方法均要求记录电极及其周围组织的状态在长时间内保持稳定。尽管电极通常保持在相同位置，但电极-组织界面可能因组织反应或电极失效模式而发生变化11,12,13,14。组织反应包括神经元死亡、出血、生物污染、异物反应、胶质增生、包膜形成、感染、脑膜炎以及脑膜外露15。这些反应会损害电极的记录能力12,13。常见的电极失效模式包括绝缘部分的分层或泄漏、电极表面涂层的剥落或开裂、导线损伤以及电极移位11,12。
为了克服电极失效模式，我们考虑了一种临时性电极放置方案的可行性，该方案同时解决了与组织反应相关的诸多挑战，即神经元死亡、异物反应、胶质增生、包裹形成以及脑膜外突。此外，为获得可靠且可重复的神经元记录，必须实现电极位置的一致性。由于电极以硬膜外方式放置，距离神经组织仅数毫米，因此电极的移动幅度不应超过1 mm。颅窗的设计尺寸旨在防止电极放置过程中的过度移动。通过颅窗技术的开发，我们旨在提高长期信号的可靠性与质量，并消除电极失效的风险。

<table><tbody><tr><td>颅窗植入术</td><td></td><td></td><td></td></tr><tr><td>手术刀</td><td></td><td></td><td>一次性，10号刀片</td></tr><tr><td>镊子</td><td></td><td></td><td></td></tr><tr><td>纱布</td><td></td><td></td><td></td></tr><tr><td>电灼器</td><td></td><td></td><td></td></tr><tr><td>骨膜剥离器</td><td></td><td></td><td>扁平，10 mm 宽度</td></tr><tr><td>韦特兰纳拉钩</td><td></td><td></td><td>3x4 齿，钝头，16.5 厘米</td></tr><tr><td>Midas Rex Legend EHS 触控笔式外科钻系统</td><td>Medtronic Powered Surgical Solutions，美国沃思堡</td><td></td><td></td></tr><tr><td>细钻头传奇球钻头&amp;nbsp;</td><td>Medtronic Powered Surgical Solutions，美国沃思堡</td><td>7BA40F-MN 和 7BA60F-MN</td><td>MedNext 4 和 6 毫米头端直径</td></tr><tr><td>钻头无菌保护罩</td><td></td><td></td><td></td></tr><tr><td>注射器</td><td></td><td></td><td>5 ml</td></tr><tr><td>生理盐水</td><td></td><td></td><td></td></tr><tr><td>抽吸</td><td></td><td></td><td></td></tr><tr><td>尺子</td><td></td><td></td><td></td></tr><tr><td>棉签</td><td></td><td></td><td></td></tr><tr><td>刮除器</td><td></td><td></td><td>直柄钳口，15 厘米，3 × 20 毫米钻头尺寸</td></tr><tr><td>2.5 mm 手钻和手柄</td><td></td><td></td><td></td></tr><tr><td>蝴蝶型输液器</td><td></td><td></td><td></td></tr><tr><td>6枚M3螺钉，长度为6-14 mm</td><td></td><td></td><td></td></tr><tr><td>螺丝刀&amp;nbsp;</td><td></td><td></td><td></td></tr><tr><td>三种尺寸的3D打印颅窗（4、5和6毫米深度）及盖帽</td><td></td><td></td><td></td></tr><tr><td>去隔离U形连接器</td><td></td><td></td><td></td></tr><tr><td>鳄鱼夹</td><td></td><td></td><td></td></tr><tr><td>庆大霉素-胶原可吸收抗生素海绵</td><td></td><td></td><td></td></tr><tr><td>VYCRIL 可吸收缝合线&amp;nbsp;</td><td>Ethicon</td><td></td><td>2-0 26 毫米圆形针身</td></tr><tr><td>Monocryl 不可吸收缝线</td><td>Ethicon</td><td></td><td>3-0 24 毫米反向切割</td></tr><tr><td>持针器</td><td></td><td></td><td></td></tr><tr><td>剪刀</td><td></td><td></td><td></td></tr><tr><td>局部用粘合性组织胶</td><td>Leukosan</td><td></td><td></td></tr><tr><td>外周导丝植入</td><td></td><td></td><td></td></tr><tr><td>两根部分未绝缘的Cooner导线</td><td></td><td></td><td></td></tr><tr><td>注意：导线中间和一端有1-2厘米的裸露部分</td><td></td><td></td><td></td></tr><tr><td>两根23号针头</td><td></td><td></td><td></td></tr><tr><td>纱布</td><td></td><td></td><td></td></tr><tr><td>由运行 MC_stimulus 程序的计算机控制的可编程刺激器</td><td>德国赖特林根，多通道系统公司</td><td>STG4008</td><td></td></tr><tr><td>两个鳄鱼夹连接器</td><td></td><td></td><td></td></tr><tr><td>皮层记录</td><td></td><td></td><td></td></tr><tr><td>磁力微操作仪用金属板&amp;nbsp;</td><td></td><td></td><td></td></tr><tr><td>磁性微操作仪支架</td><td></td><td></td><td></td></tr><tr><td>显微操作仪</td><td></td><td></td><td></td></tr><tr><td>头戴式装置支架</td><td></td><td></td><td></td></tr><tr><td>32通道ZIF夹式头戴装置</td><td>TDT，美国佛罗里达州阿拉楚阿</td><td></td><td></td></tr><tr><td>32通道微电皮层图（micro-electrocorticography）&amp;micro;ECoG阵列&amp;nbsp;</td><td>Neuronexus，美国安娜堡</td><td>E32-1000-30-200</td><td></td></tr><tr><td>TDT 录音设备，包括前置放大器 SI8、数据处理器 RZ2 和工作站 WS8&amp;nbsp;</td><td>TDT，美国佛罗里达州阿拉楚阿</td><td></td><td></td></tr><tr><td>麻醉 &amp;麻醉与镇痛</td><td></td><td></td><td></td></tr><tr><td>Zoletil 50 Vet</td><td>Virbac，卡罗斯，法国</td><td></td><td></td></tr><tr><td>隆朋（Zxylacin）</td><td>礼来动物保健公司，蒙海姆；德国</td><td></td><td></td></tr><tr><td>托力达（布托啡诺）</td><td>Intervet International，荷兰博斯梅尔</td><td></td><td>如今使用另一种配方（dolorex）</td></tr><tr><td>Ketaminol</td><td>Intervet International，荷兰博斯梅尔</td><td></td><td></td></tr><tr><td>丙泊酚</td><td>Baxter Holding，乌得勒支，荷兰</td><td></td><td></td></tr><tr><td>芬太尼</td><td>B. Braun，德国美尔松根</td><td></td><td></td></tr><tr><td>美达佳</td><td>勃林格殷格翰动物保健公司，德国英戈尔施塔特</td><td></td><td></td></tr><tr><td>Noromox</td><td>Scanvet 动物健康公司，弗雷登斯堡，丹麦</td><td></td><td></td></tr><tr><td>戊巴比妥</td><td>LeVet，荷兰奥德瓦特</td><td></td><td></td></tr></tbody></table>

用于猪麻醉期间重复皮层记录的慢性颅窗技术

Chronic Cranial Window Technique for Repeated Cortical Recordings During Anesthesia in Pigs

皮层记录对于提取神经元信号至关重要，可为多种应用提供信息，包括脑机接口和疾病诊断。不同应用对记录技术有特定要求，通常选择侵入式方案进行长期记录。然而，侵入式记录方法面临设备失效和不良组织反应的挑战，这会损害长期信号质量。
为了在最小化设备故障和组织反应相关风险的同时提高慢性皮层记录的可靠性和质量，我们开发了一种颅窗技术。在本方案中，我们报告了在幼年长白猪中植入和打开颅窗的方法，该方法可便于将硬脑膜上电皮层图（ECoG）阵列临时放置于硬脑膜表面。我们进一步描述了如何利用颅窗技术记录皮层信号。颅窗的访问可重复进行多次，但建议在植入手术与后续访问手术之间至少间隔2周，以促进组织恢复和愈合。
颅窗方法成功减少了常见的电极失效模式和组织反应，实现了长期稳定且可靠的皮层记录。我们以记录初级躯体感觉皮层的事件相关电位（ERPs）为例进行了说明。该方法提供了高度可靠的记录结果，还可用于评估干预措施（高频刺激）对ERPs的影响。由于未出现明显的设备故障，且使用的电极数量较少（2个电极，43次记录，16只动物），表明该方法具有更高的研究经济性。尽管电极植入需要进行轻微的外科手术操作，但该方法具有降低感染风险和改善动物福利等优势。
本研究提出了一种可扩展、可靠且可重复的慢性皮层记录方法，在神经科学的多个领域（包括疼痛研究和神经系统疾病诊断）具有潜在应用价值。未来的技术改进可能将其应用扩展至其他物种以及其他记录模式，例如皮层内记录和成像技术。

采用颅窗技术，在16只动物中进行了43次皮层信号记录。动物术后恢复良好，研究期间均成对饲养，并依据福利评估方案进行每日监测 补充表 S1所有动物在各个时间点的评分均为0分，表明其福利状况极佳。 图7 表明窗口确实放置在猪大脑皮层的S1区域。通常可在硬脑膜上观察到一些瘢痕组织 体内 和死后（图7A），但尸检结果显示，它从未累及下方的皮质组织（图7B），在所有动物中均显示健康状态，且与对侧S1区域相似。
<img alt="开颅手术中皮层窗放置位置与脑解剖结构的关系" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/67931/67931fig7.jpg" data-altupdatedat="1762425657000" data-alt="图7"> 
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本研究提出了一种可在猪模型中进行重复慢性皮层记录的可扩展、可靠且可重复的方法。该方法适用于神经科学的多个领域，包括疼痛研究和神经系统疾病诊断。

皮层记录对于提取神经元信号至关重要，这些信号可用于多种应用，包括脑机接口和疾病研究……

本研究旨在开发一种可扩展且可靠的猪慢性皮层记录方法，以解决设备故障和组织反应等挑战，推动神经科学、诊断和研究的发展。为了长期提取大脑信息，现有技术主要致力于在电极与大脑之间建立稳定可靠的界面，确保来自同一神经元群体的信号具有一致性。皮层脑电图和颅内记录通常用于长期的大脑记录。这些电极保持在相同的位置，但由于组织反应和设备故障，电极与组织的界面会发生变化。首先，通过在每只耳朵与对侧眼睛之间画直线来确定前囟点，前囟点即为这些直线的交点。用手术刀在前囟点稍外侧处做一切口。使用电灼器继续切开皮肤。放置无菌手术巾后，用手术刀在标记的一侧真皮层做初始切口。使用电灼器继续切开皮肤。放置拉钩后，用镊子提起皮肤，并剪开骨膜与皮下组织之间的无血管结缔组织，以增加皮肤的活动度，便于后续缝合。再放置一个拉钩，以适应皮肤增加的活动性。使用圆钻头在矢状缝前方、正中缝外侧钻一个直径为10毫米的孔。当硬脑膜可见时，换用较小的钻头，以达到硬脑膜层面的最大孔径。使用咬骨钳修剪孔的边缘。确认颅窗完全嵌入钻孔中，无间隙地到达底部，并确定合适的深度。在固定颅窗位置的同时，使用手钻标记螺钉孔位置。取下颅窗，将标记的孔钻至至少四毫米深。然后将颅窗复位。从蝶形输液装置上取下针头后，通过颅窗使用钝头蝶形探针测量螺钉孔的深度。将长度匹配的螺钉插入孔中并固定。将U型连接器置于穿透颅骨并接触硬脑膜的螺钉下方。沿神经走行方向垂直插入两根针头，针头间距约为两厘米。在距离进针点约三厘米处再次刺穿皮肤。将Cooner导丝穿过穿刺针，然后移除穿刺针，使导丝部分留置于皮下。将微型皮层电图电极浸入酒精后，将其放入ZIF-Clip头端连接器中。使用显微操作器，并用棉签轻柔引导，将微型皮层电图电极准确置入预定位置。使用鳄鱼夹连接器将电极的接地线连接到接地螺钉上。在电极上放置无菌纱布以保持与组织的紧密接触。将体温的生理盐水滴加在纱布上，防止组织干燥。然后通过外周导线对尺神经施加电刺激，以诱发前肢产生微小运动。预览自发性和诱发性脑信号。放置颅窗盖片以封闭颅窗，确保其精确嵌入颅窗内，无需额外固定。将抗生素小包置于颅窗帽顶部。使用可吸收单股缝线，以皮下埋入式垂直褥式缝合技术关闭皮肤，缝线间距为5至10毫米。在所有缝线放置完毕后，再打结最后三针。接下来，以连续方式缝合皮内缝线，从切口部位外侧1至2厘米处开始，于皮下隧道穿行至真皮层，但位于其表面下方。在侧端打结，以防止刺激或缝线松脱。然后在皮下缝线之间继续进行连续缝合，直至到达切口的另一侧。用手术刀在真皮层中线稍外侧做一新切口。使用电灼器继续切开皮肤。然后切开骨膜，使植入物可见。最后，使用棉签以轻柔的环形动作清除开口处的任何结缔组织，直至露出硬脑膜。该图显示了在不同时间点和不同刺激条件下记录的事件相关电位（ERPs）的稳定性和调制情况。在三个时间点记录的ERPs显示出几乎相同的波形，表明颅窗技术在时间上的高度可重复性。峰幅值和通道间变异性在各次记录中保持稳定，表明信号质量一致，而首次记录中的轻微延迟可能反映了发育过程中的变化。高频刺激显著增强了N1峰的幅值，证实事件相关电位对与痛觉敏感性增加相关的神经可塑性变化具有敏感性。该方法通过消除电极处的设备故障和组织反应，降低了永久性植入物相关的风险。这反过来提高了记录的保真度，从而获得高度可靠的记录结果。该方法还可降低研究成本并改善动物福利。此外，该方法可进一步应用于其他物种或用于获取其他脑区的信号。

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科研

JoVE Journal

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神经科学

慢性颅窗技术用于猪麻醉期间重复皮质记录

本视频和实验方案演示了如何在啮齿类动物中植入玻璃覆盖的颅窗。此类制备可用于长期活体双光子成像，对新皮层进行数月时间尺度的观察。该方法也可用于其他类型的成像，包括光学内在信号成像。...

一种用于慢性脑成像的开颅手术操作流程

本视频演示了使用微电极阵列（MEA）测量麻醉新生仔猪脑内谷氨酸水平的方法。该操作包括在仔猪颅骨上制作颅窗，并将MEA插入目标脑区。MEA上涂覆有谷氨酸氧化酶的记录位点可将细胞外脑内谷氨酸转化为过氧化氢，从而产生可测量的电流。通过测量该电流并相对于背景噪声进行归一化处理，以确定麻醉状态下脑内的谷氨酸水平。...

使用微电极阵列测量麻醉下新生仔猪脑内谷氨酸水平

本视频展示了在小型猪中植入柔性皮层电图阵列并进行长期皮层记录的过程。视频概述了将阵列通过手术植入小型猪听觉皮层上方，以及记录基础状态和声音刺激诱发的神经元动作电位的各个步骤。...

小型猪大脑皮层电生理记录用柔性硬膜下皮层电图阵列植入

神经元中依赖于经验的分子变化对于大脑应对行为挑战时的适应能力至关重要。 体内...

体内 双光子成像技术观察皮层神经元中由经验引起的相关分子变化

本方案描述了一种在麻醉大鼠中同时记录共定位脑电图（EEG）和多层局部场电位的简单方法。在颅骨上钻出用于插入微电极的骨孔，结果表明该操作对脑电图信号的干扰可忽略不计。...

同步记录啮齿类动物共定位的脑电图与局部场电位

本研究探讨了基于酶的微电极阵列（MEA）技术在监测中的创新应用 体内 仔猪神经递质活性.

利用微电极阵列技术研究麻醉诱导的新生仔猪脑神经毒性的方法改良

本文介绍了一种用于在清醒且头部固定的活体小鼠中对脑细胞进行长期成像的慢性颅窗植入实验方案。...

植入颅窗以实现重复观察 在体实验 清醒小鼠成像

本文介绍了一种在小型猪模型中对柔性硬膜下电极阵列进行长期性能与安全性评估的方法，详细描述了手术方法与工具、术后磁共振成像、听觉皮层的电生理学特性、植入物的电化学特性以及死后免疫组织化学分析。...

皮层下柔性脑皮层电图（ECoG）阵列植入及小型猪长期皮层记录

本方案描述了使用高速气动钻在3月龄丹麦长白猪上进行开颅手术的操作过程。手术通路通过额骨，暴露腹侧硬脑膜及下方的大脑半球。该操作可实现对猪脑较大区域的暴露与接触。...

通过高速气动钻开颅术获取猪脑

本方案描述了一种在固定头部的小鼠脑干中获取体内高密度单神经元记录的方法。该方法用于在全身麻醉前和麻醉期间，测量腹外侧导水管周围灰质（即快速眼动（REM）睡眠期间不活跃的脑干区域）神经元的动作电位发放。...

固定头部小鼠脑干的急性单细胞多电极记录

本方案描述了一种两阶段手术方法，用于在小鼠中创建一个大尺寸、可重复密封且保留硬脑膜的颅窗。该技术能够在数周时间内对分布式的深部脑网络（如默认模式网络）进行长期、多模态的电生理记录。...

用于小鼠默认模式网络纵向多模态电生理记录的大尺寸可重复密封颅窗手术方案

学习慢性颅窗技术用于猪麻醉期间重复皮质记录的方法。该技术通过稳定电极-脑组织界面，实现高保真神经信号采集，适用于疼痛研究与神经疾病诊断，同时降低设备故障风险并改善动物福利。

用于猪麻醉期间重复皮层记录的慢性颅窗技术

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