用于光遗传学调控与神经电生理记录同步进行的光极阵列

本方案包括构建一种用于同步进行光遗传学刺激和电生理记录的光探针系统。该基于LED的系统通过微透镜阵列提高了光耦合效率。与激光光源相比，LED光源具有更简单的照明设置，因此该系统可便捷地应用于无线系统。

光遗传学是一种用于理解神经系统疾病病理及治疗机制的前沿技术。光遗传学可应用于治疗脊髓损伤、癫痫、帕金森病和阿尔茨海默病。我们的基于LED的设备可进一步开发为无线系统，具有系统复杂度低、成本效益高和功耗低等多项优势。

首先，将1.27毫米间距的母接头连接到头级前置放大器上。将LED放入3D打印的外壳中。使用光电二极管测量光纤尖端末端的光强度。

将钨电极和光纤浸入酒精中15分钟，随后自然晾干。剃除小鼠头部皮肤的毛发，将麻醉后的小鼠置于立体定位仪中。调整小鼠头部在立体定位仪中的位置，并将耳杆插入外耳道。

打开立体定位仪框架中嵌入的加热垫，并在整个手术过程中将体温维持在37摄氏度。调节切口杆以设定其高度，并将鼻夹紧固在鼻部。用凡士林覆盖眼睛以防止干燥。

用镊子提起头部皮肤，固定注射位置，在头皮下注射1%利多卡因。使用手术刀和精细剪刀做矢状切口。用微型钳夹住切开的皮肤，以扩大手术区域的视野。

使用棉签去除骨膜。如果出现出血，使用电凝器灼烧颅骨以封闭血管。用生理盐水清洁颅骨，并使用操纵臂标记开颅位置。

在小脑上方钻孔，并植入接地用的螺钉。使用精密螺钉，将接地螺钉旋入0.5毫米深，直至到达小脑顶部。在标记区域钻孔，并用镊子移除一块颅骨。

将26号针头尖端顺时针弯曲成120度角，并将针头斜面朝上插入以暴露脑区。将光探针阵列固定在操纵臂上，并移至暴露区域附近。缓慢插入光探针阵列，并将接地螺钉连接至系统附带的银丝上。

在暴露的大脑与装置之间插入凝胶泡沫，以防止化学物质直接接触脑组织。将牙科水泥小心地涂抹于颅骨上，以固定装置并覆盖凝胶泡沫。在牙科水泥完全硬化之前，若头皮与牙科水泥粘连，应将其分离。

用镊子牵拉切开的皮肤以覆盖固化的牙科水泥，并缝合头皮。将麻醉后的小鼠置于立体定位仪中。将光脉冲参数设置为10赫兹频率、4%占空比。

在神经信号记录期间设置持续两秒的光刺激。取下塑料盖，将带有可重复使用LED的光传递系统上部与电路连接。将头戴式前置放大器连接到植入的五针连接器。

打开软件并设置软件滤波器。接着，点击并设置放大器采样率。然后点击更改带宽。

设置放大器的下限带宽和放大器的上限带宽。启用软件 DAC 高通滤波器。打开 Spike Scope，并通过电压阈值检查神经信号。

单击停止并记录。使用 MATLAB 加载采集的数据并检查原始数据，然后运行包含 wave clust 算法的 spike sorting 代码。

在列阵图中检查已分类的尖峰。现在绘制尖峰计数图，并检查光刺激期间诱发的尖峰。该图显示了完整的记录波形及确切条件，包括中间持续两秒的光照时段。

与基线相比，在每次光刺激脉冲后，以2秒和0.2秒两种不同时间窗统计的诱发单个神经放电数量显著增加。该图显示了每个通道在光刺激前、刺激期间和刺激后的脉冲放电直方图。插图显示了植入式光探针阵列的位置。

此外，放大图显示了时间分辨率为100毫秒的脉冲发放直方图。蓝色条表示LED光源开启以记录反应的时间段。为最小化LED驱动电流过程带来的伪迹噪声，系统设计时应确保电信号通路与LED电路之间有足够的距离。

所提出的基于LED的光遗传电极系统能够研究与动物行为相关的多种神经信号，因为它可传递光遗传刺激并记录诱发的神经反应。LED光遗传电极阵列与无线光遗传接口兼容，可用于自由活动动物的研究。