一种无线双向接口 体内 在自由活动大鼠中记录与刺激神经活动

本研究的总体目标是开发一种可进行多通道神经记录和刺激的遥测双向装置，用于自由活动的大鼠。这种新型装置有助于回答行为神经科学领域的一些关键问题，例如大脑激活模式与行为之间的因果关系。为了验证该遥测系统的有效性，我们选择下丘作为目标神经结构，因为对其施加电刺激可引发明显的行为反应。

众所周知，对下丘脑进行电刺激会在大鼠中引发类似条件性恐惧的行为反应，例如警觉、僵直以及逃避行为。我们推测，能够引发如此明确且无歧义的行为反应，将对我们的遥测系统构成真正的挑战。集成式遥测系统由头部装置、电池、接收器以及一个在立体定位手术期间植入的微电极单元组成。

此处展示的是我们开发的一种完全集成的无线系统，该系统包括单电极记录电极、四极电极、刺激电极、电极光纤连接板、柔性连接线缆、地线、连接板、用于TWS的公头或母头连接器、连接至前置放大器的TWS微电极单元，以及用于固定在立体定位仪上的固定装置。开始该操作时，使用耳杆和上门齿杆将动物头部固定并水平对齐于立体定位仪中。接下来，使用手术剪或剪毛器剃除手术区域的毛发，并用聚维酮碘对头皮进行消毒。

在动物身下放置加热垫以防止低体温，并用泛醇（dexpanthenol）处理其眼睛以防止干燥。随后，在手术区域中心注射利多卡因（Xylocaine）。之后，用手术刀做一小切口以暴露颅骨。

轻柔地分离皮肤并去除残留组织。接着，使用浸有双氧水的棉签仔细清洁颅骨。随后，在颅骨上钻四个小孔，用于固定不锈钢螺钉。

随后，在目标区域上方的颅骨上钻一个直径约七毫米的孔，用于固定电极装置。将微电极装置和电极夹与连接在立体定位微量移液器上的前置放大器相连接。用棉签吸除任何血液。

然后，垂直插入微电极装置，直至其尖端到达目标区域。将接地电缆沿不锈钢螺钉放置，并置于皮肤下方。随后，使用显微操作器仔细调整电极位置，直至其到达目标结构中具有神经元活性的区域。

同时，监测尖峰活动，并以适用于尖峰分类的信噪比检测神经活动。随后使用紫外胶将微电极单元固定在颅骨上。用丙烯酸树脂覆盖螺钉和接地导线。

然后，将微电极装置从电极架上断开。用丙烯酸树脂覆盖接触板和细小电缆。小心地从立体定位架上取下钉状物，并将前置放大器与微电极装置断开。

然后将微电极单元上植入的保护帽连接好，仅在实验操作期间断开。每天监测动物福利状况并填写评分表，直至实验结束。术后将大鼠单独饲养在饲养笼中至少一天，以确保恢复，之后可将大鼠成对饲养。

单个笼子应使用高丙烯酸树脂盖子覆盖。避免使用金属网格制成的传统盖子，因为植入物可能会卡住，并随时间推移而受损或变得不稳定。打开 TWS 软件，并将收发器连接到计算机的 USB 端口。

收发器可放置在动物上方五米范围内的位置。只要收发器与动物头部连接装置之间没有金属障碍物，该无线系统即可适用于多种行为学实验任务。将电池连接至头部连接装置的顶部。

确保电池连接至前置放大器时，前置放大器上的指示灯变为绿色。然后将前置放大器直接连接至植入的微电极。作为示例性行为学测试，我们采用旷场实验来测量一般行为活动，以及高架十字迷宫实验——这是评估大鼠类似焦虑行为的标准测试。

进行旷场实验时，将大鼠放置于旷场中央。让大鼠自由探索装置至少五分钟。按下连接按钮，使主机计算机与遥测系统建立连接。

状态应从离线变为在线。选择刺激参数设置菜单。根据您的刺激实验选择刺激发生器参数。

例如，脉冲幅度一、脉冲幅度二、脉冲频率和串频率。如果所有刺激参数均已设置为所需数值，请将鼠标移至“刺激开始”位置，然后点击“刺激开始”按钮。将鼠标指针移至“图形开始显示”按钮。

将鼠标指针移至图形视图菜单，选择用于显示刺激信号的图表。在高架十字迷宫实验中，本实验所用的十字迷宫由灰色丙烯酸材料制成，包含两个开放臂和两个封闭臂，各臂从中央平台向外延伸，平台距离地面高度为50厘米。将大鼠置于十字迷宫中央，使其朝向开放臂方向。

让其在装置中自由探索五分钟。按下连接按钮，将主机计算机与遥测系统连接。状态应从离线变为在线。

通信强度和剩余电池容量由左上角的绿色条显示。按下配置菜单以查看图表选项。选择文件路径菜单，输入记录数据应存储的文件名和路径。

按保存以保存文件名和路径。按下开始显示按钮，以启动四个记录通道检测信号的显示。请注意，所记录的信号尚未被存储。

选择集成式TWS头部放大器的增益。点击绿色箭头启动音频监视器，并使用滑块设置信号阈值，以降低背景噪声并以声音形式实时显示记录到的尖峰信号。在记录菜单中按下红色记录按钮。

按下录制按钮后，记录的信号将存储在硬盘上。记录的信号会持续显示在右侧。此处显示的是在下丘植入单个双极记录电极的TWS的记录性能。

随后，将头戴装置从植入的微电极单元上断开，并连接保护帽。之后，将大鼠放回其饲养笼中。使用TWS系统和传统的有线记录系统，依次从同一植入电极记录下丘脑外多单元电活动。

该图展示了动物在开放场地中自由活动时，使用两种系统记录的代表性原始数据。此处对信号的直接比较表明，两种系统的动作电位波形和噪声水平相似。本文介绍了我们用于自由活动动物电生理学和行为学研究的无线记录与刺激系统。

我们的方法相较于现有方法具有多项优势。首先，该系统采用单一的便携式头戴装置，集成了前置放大器和可充电电池。

该头戴装置轻便紧凑，含电池重量仅为12克。其次，动物对该装置耐受性良好，因此可用于替代有线系统，且不会限制动物的活动能力。第三，该系统能够同步进行神经活动的双向记录与刺激，为研究特定脑区激活模式与行为之间的因果关系提供了先进的工具。

最后，我们开发了一种可长期植入的微电极单元，该单元可在常规立体定向手术过程中轻松植入。观看本视频后，您应能够充分理解如何植入微电极单元，并进行电刺激和细胞外神经信号记录。遥测系统是研究脑刺激机制的有力工具。

遥测系统是一种重要工具，可与多种行为学测试相结合，用于研究特定神经回路中的电活动如何产生特定行为形式，这是神经科学的一项基本探索目标。