全皮层脑皮层电图阵列在普通狨猴中的慢性植入
2019年2月1日
我们开发了一种用于普通狨猴的全皮层脑皮层电图阵列，该阵列连续覆盖了从枕极到颞极和额极的皮层几乎整个外侧表面。本方案描述了将该阵列慢性植入狨猴脑硬膜外腔的操作步骤。
本方案展示了如何将皮层电图阵列植入非人灵长类动物的大脑皮层，以促进灵长类神经科学领域对大规模信息处理机制的研究。该技术的主要优势在于，能够以高空间和时间分辨率监测大脑皮层的大规模活动。
首先，在头皮正中线处做一个4厘米长的皮肤切口。使用刮匙将颞肌从颅骨上剥离，直至完全暴露手术区域，并清除颅骨表面的所有组织。
必要时通过加压止血或骨蜡彻底止血。用湿润的纱布包裹皮肤和肌肉边缘。将阵列的前缘放置在额极边缘上。
使用铅笔在颅骨上标记计划开颅的位置、切口和钻孔位置。将解剖显微镜置于手术区域上方。沿标记线1进行开颅钻孔。
钻孔时，向切削刃吹入空气，以保持术野清晰，沿标记二完整切割骨片，此时骨片中央仍与硬脑膜相连。缓慢而小心地从一侧边缘抬起骨片，并用刮匙将硬脑膜剥离。
从骨片上移除骨尖，并用湿润的纱布包裹骨骼，直至操作结束时将其放回颅骨。在标记三和四的位置钻孔，以便将电极分别插入眼眶、额部和枕部区域。在标记五的位置钻出狭缝，以确认阵列是否正确插入。
现在将暴露硬脑膜。用生理盐水冲洗该区域，并根据需要使用压迫止血法和明胶海绵止血。如有需要，清洁开颅口边缘，并制作六个切口，用于放置参考电极。
将骨膜剥离器插入颅骨下方以保护硬脑膜，使用直径1毫米的钻头在连接器每个分支周围的四个位置钻出螺孔，并安装尖头螺钉作为锚点，将连接器固定在颅骨上。然后，用平头镊夹住阵列，将心电图阵列插入硬膜外腔。
将参考电极置于硬膜外腔，然后在参考电极上涂抹牙科用丙烯酸树脂。将接地电极放置在颅骨表面。
然后将牙科丙烯酸树脂涂抹在接地电极上。将骨片复位，并在螺钉上涂抹牙科丙烯酸树脂，以将连接器和头固定装置固定在颅骨上。接着，使用6-0尼龙缝线缝合前额及末端后部的皮肤。
并使用皮肤闭合装置将皮肤固定在连接器的两侧。此处展示了清醒狨猴多个听觉区域的听觉诱发电位示例。在暴露于20种不同频率的随机纯音刺激时，可以从较低和较高的听觉区域观察到不同的波形，表明心电图阵列的空间分辨率能够捕捉不同皮层区域中的差异性信息处理过程。
由于可以通过电植入实现长期慢性光刺激并同时监测皮层反应，因此可以在狨猴脑内通过病毒转导来实现该选项。
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概述
本研究介绍了一种在普通狨猴中植入全皮层脑皮层电图阵列的实验方案。这种慢性植入技术可实现对多个皮层区域神经活动的持续监测，有助于深入了解灵长类神经科学中的大规模信息处理机制。
关键研究组成部分
科学领域
- 神经科学
- 电生理学
- 神经技术
背景
- 本研究采用非人灵长类动物模型——普通狨猴。
- 皮层脑电图阵列覆盖了大脑皮层外侧表面的几乎全部区域。
- 该方法可实现对皮层活动的高空间和高时间分辨率监测。
- 在不同脑区进行植入，有助于听觉处理功能的评估。
研究目的
- 建立一种用于慢性植入皮层脑电图阵列的实验方案。
- 实现对狨猴皮层活动的连续监测。
- 深入了解不同皮层区域之间的信息处理机制。
使用的方法
- 使用的主要平台是皮层脑电图阵列植入物。
- 生物模型涉及普通狨猴，重点关注听觉区域。
- 步骤包括皮肤切口、开颅术以及电极的精细放置。
- 手术过程中采用生理盐水冲洗和压迫止血。
- 该技术可实现对皮层反应的长期监测和光刺激。
主要结果
- 在声音刺激过程中，从多个听觉区域记录到不同的波形。
- 皮层脑电图阵列有效捕捉到了皮层中空间上分离的神经活动。
- 该方法有望在监测神经反应的同时实现长期的光刺激。
- 观察到了关于听觉处理和皮层兴奋性的新见解。
结论
- 该研究展示了一种用于长期植入皮层脑电图阵列的方法。
- 该技术可对神经元机制和可塑性进行全面评估。
- 有助于理解与听觉处理相关的皮层活动，以及其在神经技术中的潜在应用。
常见问题
行业应用价值
本方案可在可转化的非人灵长类动物模型中实现高分辨率的全皮层电生理监测，有助于神经科学药物研发中的靶点验证和机制风险评估。通过以毫米级空间分辨率和亚毫秒级时间分辨率捕捉大范围皮层动态活动，该方法可为评估化合物对神经环路功能的影响提供可靠的预测依据。该技术通过提供与疾病相关的系统，用于评价皮层参与度及网络水平的生物标志物，在药物发现与临床前研究阶段之间架起桥梁。
生物制药研发中的战略应用
早期发现与靶点验证
- 科学价值：通过直接测量前额叶、顶叶和颞叶复合区的皮层网络活动，能够验证治疗假设。
- 操作价值：通过在具有与人类同源结构的无脑回大脑中验证靶点结合，支持生物学风险降低。
筛选与检测方法开发
- 科学价值：通过建立稳定、慢性的电生理读数，制备经过验证的皮层系统，用于下游检测的标准化。
- 操作价值：通过硬膜外阵列固定和长期信号稳定性，促进检测的可重复性和可扩展性。
转化与临床前研究
- 科学价值：通过监测听觉诱发电位和皮层信息处理，提供与疾病相关的系统对齐。
- 操作价值：确保从发现到慢性植入的转化连续性，支持对神经可塑性和药物反应的纵向评估。
流程与工作流整合
该方法通过促进早期生物学中的假设验证、筛选阶段的检测准备，以及靶点结合的定量神经生理学分析，融入了发现研究的全过程。
- 发现生物学：通过全皮层电场电位映射，支持通路阐明和生物学风险降低。
- 筛选：通过慢性植入和跨皮层区域的稳定基线记录，实现检测就绪。
- 分析：生成定量因变量测量值，如诱发电位的幅度和潜伏期，用于不同条件间的比较。
- 转化研究：通过模拟类人皮层结构并实现慢性刺激范式，连接临床前研究的连续性。
- 企业级复用：将阵列定位为可重复使用的平台，支持多次实验，降低个体间变异性，提高通量。
运营与企业影响
- 科学价值：通过高时空分辨率的皮层监测，提高靶点验证的预测可信度。
- 操作价值：通过硬膜外固定和标准化手术流程实现标准化与可重复性。
- 战略价值：通过降低皮层药物效应机制的不确定性，优化“推进/终止”决策。
- 项目组合影响：利用客观的神经活动生物标志物实现基于风险调整的优先级排序。
实施注意事项
- 需要具备神经外科、电生理学和非人灵长类动物操作方面的专业知识。
- 依赖显微外科工具、钻头、缝合材料以及牙科丙烯酸树脂等生物相容性粘合剂。
- 需要跨团队在电极放置、参考电极和接地方案方面实现标准化。
- 针对不同皮层靶区和刺激范式需进行适应性调整。
- 长期使用受限于手术侵入性以及术后组织反应的管理。
