通过整合层状多通道电极、光遗传学与微阵列皮层电图在啮齿类动物中进行皮层处理的多尺度研究

实验室如何利用颅内脑电图（ECOG）及其他工具，将局部神经元活动与更大范围的皮层信号相联系，从而研究脑活动如何产生感知和认知等功能。

双光子成像中的细胞外锋电位记录用于测量群体神经活动，但皮层脑电图（ECoG）是少数既可用于人类又可用于动物基础研究的技术之一。

大脑活动跨越多个空间和时间尺度。目前尚无一种信号记录方法能够同时捕捉所有尺度的信息，但皮层脑电图（ECOG）在时间和空间分辨率上足以回答许多关键科学问题。

本方案通过将皮层脑电图（ECOG）与局部记录和光遗传学技术相结合，有效实现了从介观皮层表面信号中获取微观尺度信息，从而填补了一项关键的技术空白。

我们的研究结果将拓展皮层脑电图（ECOG）在多模态实验范式中的应用，以研究人类新皮层组织的基本原理，并揭示特定皮层功能的生物标志物。

[讲师] 首先，将一只麻醉的小鼠置于手术台上，用镊子提起颅骨上方皮肤的一点。然后使用手术剪剪除直径约一厘米的皮肤区域。用刮匙清除颅骨顶部的结缔组织和骨膜。向颅骨上冲洗生理盐水。接下来，将手术钻调至低速，在记录区域同侧半球的额部钻一个环钻孔。在边缘钻出浅沟，以界定开颅区域的轮廓。当颅骨被磨薄至施加极轻微压力即可使整个骨窗明显晃动时，移除该薄化部分。定期滴加生理盐水，并使用止血海绵保持脑组织湿润。现在，将银质参考电极线插入环钻孔内约一毫米，使其接触脑表面但不引起出血。在植入头部固定杆后，将动物置于记录装置中。使用零插入力插接连接器将微电皮层脑电图（micro-electrocorticography）网格连接至头级放大器。使用固定在显微操作器上的机械臂固定头级电子板。将微电皮层脑电图网格水平下放，使其沿前后轴平整地覆盖在开颅区域上。当网格接近脑表面但尚未接触时，将网格的参考电极线连接至植入的银质电极金针上。随后进一步下放网格，使其与脑表面接触。横向移动网格，使其在湿润的硬脑膜表面滑动，并持续调整，直至其沿内外侧轴居中。使用吸引器或手术海绵在开颅边缘吸除多余的生理盐水。待制备区域略为干燥后，确认网格更牢固地贴附于硬脑膜且不再滑动。对网格施加从外侧向内侧的移动，以确保最外侧电极与脑表面良好接触，同时使网格电缆弯曲以贴合脑轮廓。使用记录软件观察电生理活动。在轻度麻醉状态下，监测脑电信号的可变模式。确保网格、参考电极和接地线正确连接，以获得高信噪比。使用Trodes软件，设置300至6,000赫兹的带通滤波，监测高频范围内的噪声，并确保其保持在数十微伏以内。通过产生声音刺激（如拍手或弹指）评估感觉反应性，并观察相应的皮层表面电位变化。以低强度开启光遗传光源，用于引导光源并辅助定位光纤，然后使用可调臂大致将光遗传光源对准目标区域。在记录信号前，使用显微操作器或微调螺丝精确聚焦并微调光纤位置。若需清洁网格，当脑组织较干燥时，使用注射器在脑表面滴加少量生理盐水，静置30秒至1分钟后，再抬起网格。在显微镜下操作，使用显微操作器轻柔地将网格从脑表面抬起。单根胡须刺激后约10毫秒可观察到局部的皮层脑电图反应，其峰值偏转幅度约为1毫伏。最强的电极反应由其对应胡须的刺激引发，而更远距离的胡须刺激则产生较弱或无反应。在表达抑制性视蛋白的动物中，光遗传抑制仅导致胡须诱发的皮层反应受到抑制。使用大直径光纤进行5秒光脉冲刺激时，光电伪迹仅出现在光刺激的起始和终止时刻。1毫米直径的光学光纤在微电皮层脑电图网格上产生较大的光伪迹，而200微米光纤则显著减小了该伪迹。在大鼠中记录的微电皮层脑电图显示强烈的听觉诱发反应，刺激后约25至30毫秒出现峰值反应。在诱发反应的频谱中观察到高伽马波、超高伽马波和多单位活动的峰值，其中高伽马波为主要成分。微电皮层脑电图与层状探针记录同步进行。多通道电极记录中检测到清晰的尖峰波形，显示出多个通道间不同的波形特征。来自表面微电皮层脑电图电极的频率响应幅度图与不同深度的层状多通道电极记录结果高度一致，表明听觉调谐特性一致。基于高伽马信号生成的高分辨率音调图揭示了听觉皮层功能区的组织结构，包括初级、后部和腹侧区域。