方案1 多单元记录实验

一、在外周和背根水平上进行的多单元记录

关于在外周和背根水平的多单元记录技术，文献中并不多见。我们在此将介绍几种原理不同的方法。较早的一种多电极方法用于记录再生的被切断的神经纤维活动(Marks1965)。在这种方法中，被切断的神经纤维在黄金细管阵列中再生，每个黄金细管均构成一个电极。这种技术仅仅适用于被切断的神经，而且在电极插入和实施记录之5的时间间隔相当长。因此需要建立适用于急性实验的多单元记录方法。在早期对多单元记录的尝试中，人们采用了几个单个常规电极组成的记录系统。然而，由于这种电极系统需要很大的空间（部分原因是它们各自需要一个参考电极)，能被同时记录到的轴突数目非常有限。

为了满足实验要求，Djupsjdbacka等（1994)设计了一个多道钩状电极，用于猫的急性实验。如图 17-1所示，这种电极包含固定于同一个微电极夹上的12个银丝电极，电极夹由厚度为3 mm的黑色PVC塑料板制成。板的形状为半圆形，恰好可以嵌在L7-L6脊神经根进入脊髓腔入口和骨盆之间的有限间隙。在这个夹板上，12条沟槽呈放射状排列。每条宽0.45mm, 深1mm。电极丝嵌于其中。钩状电极用0.5mm实心银丝制成，其表面经氯化处理，以获得稳定的细胞膜电位，同时保证电极和神经纤维间的低阻抗状态（GeddesetaL1969)。氯化处理在电极固定于支架上之后进行。12个电极构成了12个相互独立的通道。电极上的每条通道分别有一屏蔽线。每通道的正相输入导线连在相应的Ag/AgCl电极上，负相输入导线连于一个Ag/AgCl参考电极上（图 17-1B)。由于不能对每个通道分别采用独立的参考电极，因此所有参考导线均被连到同一个参考电极上。导线屏蔽层作接地处理。导线截面积为0.02mm², 含有 10根铜质导电丝，纤细并可弯曲。为了避免由于与骨盆表面组织相接触而导致的通道间短路（图 17-1A)，在电极的背面，也就是电极离开支架并与导线相焊接的地方，用环氧树脂进行包埋（图17-1B)。为了便于操作，应该使钩状电极向上弯曲处（背根纤维和银丝相连接的部位）和支架底部之间的距离达到最大。

我们实验室目前采用的电极已有些改进（图17-2)。对有些实验而言，它具有一些明显优势。首先，银丝电极可随需弯曲自如。第二，它们只受PVC薄板支撑而不固定，因而电极可以前后移动，以便对每个电极的长度分别进行调节。对一些特殊的实验，这种灵活可调节的特性具有独特的优势。

这两种电极的记录质量是一样的。图17-3是这种记录的一个例子。在这个特定实验中，猫后肢肌肉（腓肠肌-比目鱼肌和二头肌-半腱肌）的12个肌梭传入由多道钩状电极在12个L7背根纤维得到同步记录。这些记录是这两个带有感受器的肌肉承受了生理极限内平均长度为2_的正弦变化的张力所引起的反应（腓肠肌GS:IHz; 二头肌PBSt:0.9 Hz; 峰峰值：2 mm)。图中上面的12条迹线为以20kHz采样得到的每个通道的放大信号。下面两条迹线显示肌肉张力呈正弦波变化。

当猫处于麻痹状态不能动弹时，上面所介绍的电极是非常易于使用的。然而，有一些实验不能使用这种麻痹方法。例如，在去大脑的随踏车运动猫的实验中，肌肉组织、脊椎，以及背根等往往随电极固定框架呈持续移动。由于这种运动的存在，上述电极的使用可能就有困难。Taylor等（个人通讯）将电极固定在记录部位周围的肌肉组织上，解决了这个问题。通过这种固定方法，Taylor等（1998)对随踏车运动的猫身上8条单个肌梭传入纤维进行了同步记录。这个技术尚未见于论文报道，但有兴趣的读者可以和P.H.Ellaway(第三十三章作者）联系，以得到较为详尽的信息。

对清醒状态下自由移动的猫进行多单元记录更为复杂。为了达到这个目的，发展了米用细丝电极的另一种方法，而且在加拿大Edmonton的 Prochazka实验室里得到了很好的应用。慢性埋植的不固定的细丝电极，可以用来对背根水平的数个传入纤维进行同步记录。g种装置的优点不仅可以用于麻醉猫，也可以在清醒、自由活动的猫身上对神经活动进行记录。如图17-4所示，这个装置的细丝电极并不固定于神经组织上，而是粘附或缝合于硬脊膜上。屏蔽线通过一个丙烯牙科罩固定于L6的棘突部位。关于这个方法的详细情况，请参阅Prochazka等（1993)和Loeb等（1977) 的文章。

总之，尽管同步记录对于群体编码的研究是必需的，但是可用于夕卜周水平进行这样记录的技术手段却不是很多，这种情况当然不尽如人意。这是因为在外周水平对群体编码进行研究，可以着重研究传向中枢神经系统有用的信息，而不需要对中枢神经系统的解码过程进行任何假设、正是由于许多对中枢神经系统进行分析的方法需要在假设的基础上进行，因此有时人们会选择外周系统进行研究。

二、中枢水平的多单元记录

在中枢水平做多神经元记录需要与外周水平不同的技术，多年来，也有一些这方面的尝试。和外周水平一样，早年的工作为通过几个传统电极的组合进行（Verzeano1956)。在这些早期尝试的基础上，并行微电极技术得到了发展（TemiobandAraki1961)。事实上，人们曾对多个单电极的应用进行了一些尝试，其中问题之一在于如何对这些电征进行独立移动和控制。为此，Humphrey(1970)建立了一个微电极操纵系统，以实现对5个微电极的独立操作（记录部位之间的间隔约3 mm)。

在20世纪80年代初期，Kriiger和Back(1980,1981)建立了一个系统，这个系统包含一个由30个刚性连接的微电极组成的阵列。虽然这个装置不能对每个微电极实施独立操作，但他们也从猴的纹状皮层记录到了18个单元放电另一种是用微酸蚀的方法制作电极的技术（Prickard1979a,b)。由于这些电极相当大（往往达到数个毫米)，主要用于表面电位的记录。由Hanna和Johnson(1968)建立的由20~30个微电极构成的电极系统就是一个例子。

应用多个纤细杆状电极的技术在近年得到了发展（Eckhom1991，1992;Kriiger1983;Rdtboeck1983)。当多个电极的插入可以分别进行时，这种记录技术特别有用。而且，关键在于这些电极对组织带来的伤害极小，同时还可以对这些电极的空间安排按需进行调整。Reitboeck操纵器是具有这些优点操纵器的一个例子（Reitboeck1983)。这种操纵器在几个实验室已经成功地应用于猫（Mountcastle et al.1987)和猴（Eckhom1991,1992)的慢性实验。

然而，用标准驱动器推动这样的电极（包括纤维和导线微电极）由于受到电极锁定长度的限制，不能满足向深部组织穿刺的需要。

为了解决这个间题，Eckhom和Thomas发展了一种新的插入方法（图17-5)。在这个方法中，伸展的橡皮管用来导引纤细杆状电极。据作者称，与传统的Reitboeck操纵器相比，这种新方法具有以下优点：

1.它的机械驱动力比传统的操纵器高出数倍，而且驱动力可以在一个大范围内进行调节。

2.电极位置误差较小，没有误差积累，而且误差与单个电极的操作次数和移动方向都无关。

3.由高阻抗电极在机械振动时测得的「颤噪电位」在这个橡胶管操纵器中很小, 甚至没有，因而不影响探头对组织进行慢速扫描时的连续记录。

4.各探头可以同步驱动，也可以分别以不同速度往不同方向驱动。

5.探头导入装置具有体积小，重量轻的优点。

6.可以对许多种类型的电极，包括直径只有数十微米的纤维电极、导线电极进行操作。

7.已有多种商品化的用以驱动探头的微电极操纵器问世。

在这种方法中，一个易于弯曲的橡胶管被固定于一: 个装配在导入装置主支架上的金属毛细管上。探头位于金属毛细管中，后者起导引方向作用。拉力由位于橡胶管顶端的微定位器提供，按需对其实施拉伸。用一个有波纹的镀银铜质毛细管，通过微定位器的扣针或细丝』将探头末端和橡胶管连接起来。探头尖端位置的调节通过对定位器支架的转换运动实现。

这个装置用于对7个并行的纤维微电极做独立操作，使之在慢性实验的猫和猴穿过完整的脑膜进入脑组织（Eckhometal.1993;EckhomandObermueller1993)。

通过使用减齿直流微电机（1/4096)使微电极可以分别得到定位，它是通过将一细丝（200um 粗的聚四氟乙婦涂层细丝）缠绕在固定于齿轮轴的圆鼓上（3.5 mm)得以实现。借助于一个和马达相连的位置感应器（l0imp/rev), 可使精度达到0.27pm，并实现对电极位置的计算机控制。

最近，这些操纵器已经在一系列猫和猴视皮层的多电极记录中成功地得到了检验。在这些实验中，电极可以穿过完整的脑膜（Eckhom et al.1993;Eckhom and Obermueller1993)。由于微电极之间的机械干扰很小，因而可以通过几个纤维微电极（在IkHz时阻抗为3?7MI1)对单个细胞的动作电位作稳定的细胞外记录，即便在单个微电极在缓慢地推进时（0.5~10fzm/s)也可以。机械干扰很小是因为纤维电极尖细的尖端，以及它们的抗黏着的涂层使之能在橡胶管驱动器中做平滑的移动。

作者认为操纵器具有小巧玲珑以及相对便宜等特点。而且可以装上对神经元和肌肉信号进行刺激和记录的探头，以及细小的注射管和穿刺针头。

基于Reitboeck方法的多道微电极装置可以从Thomas记录装置公司购得。该公司的产品包括一些多通道记录系统、带滤波器的多纤维微电极、纤维电极操纵器、尖端拉制仪、尖端抛光仪及调位系统等。

另一家多道微电极驱动系统制造商是Fredrick-Haer(FHC)。这个系统可以以0.25/xm的步长对4或8个微电极进行独立驱动，而且电极可以以不同的阵列方式进行排列（SMX4,2X2,2X4,IX8等)。这个公司的产品与主要的相关软件产品相兼容，如DataWaveTechnologies(Longmont,Colorado,USA)。FHC也可以根据客户要求供应针或微电极驱动器。

最近Haidarliu及合作者所建立（1995)的一个将多电极记录和微电泳法相结合的装置，是非常令人感兴趣的。这个金属芯的多管微电极含有一个9 cm的细杆，在离尖端7 cm处的直径为0.6_。作者称这个微电极适合于在包括猴在内的各种动物的大脑深层区域做多单元记录。而且，他们又提出了一个既包含这种组合电极，又有三个钨丝-玻璃电极，并带有四个放电脉冲分类器，因而可以对多达12个单元同时进行记录。

这个电极的一个好处在于在记录过程中可以持续地调节被记录细胞的药理学环境, 这种组合电极可以用标准的钨丝、玻璃毛细管，通过标淮微电极拉制仪来制备（Haidarliuetal.1995)〇

这套装置的微操作系统包含一个微驱动终端和一个紧凑的遥控微电极驱动器系统，以便对4 个微电极进行独立推进和测量。微驱动终端最初为耶路撒冷希伯莱大学的八_beles和Vaadia所建立，遥控驱动系统为Lausanne大学的Ribaupierre所设计。这个系统在豚鼠上做过测试。在豚鼠身上，可以做长达数小时的单电极记录。

最近，Nicolelis及合作者（1997)提出了一种方法，对具有行为能力的大鼠的皮层和皮层下神经元群体进行记录。在这个方法中，48个微电缆被埋入大鼠的脑干、丘脑和躯体感觉皮层。令人振奋的是，有86% 的植入电极记录到了单个神经元的活动，多神经兀丨目号采集处理器（ManyNeuronAcquisitionProcessor,MNAP)处理结果显本，平均每个电极可以记录到2.3个神经元的放电序列。

据作者介绍，皮层和皮层下微电极的最佳空间间距为l〇〇~250Fm, 通过这个装置他们可以对三叉神经节、三叉神经脑干复合体的主核和脊核、丘脑腹后内侧核，以及躯体感觉皮层的神经元做同步记录u

应用头部经钝化处理的微电极，可以稳定记录数个小时。而且，被植入的电极可以在手术后数个星期内，依然可以记录单个神经元的放电序列。

微电极阵列的各种排列由NB实验室提供，详见Nicolelis等（1997)。

三、动作电位分离技术

现在，已有多种商品化的动作电位分离程序。但是，早些年的情况却非如此。人们为实现对动作电位的分离投入了大量工作。我们将在本节简单介绍这类工作的一些例子(Schmidt1984a,b)〇

一个值得一提的早期的动作电位甄别器是由Salganicoff等（1988)基于软件的算法，这种算法可用于对细胞外多个神经元记录进行分析。另一个则是由Kreiter及合作者（1989)所设计的廉价的单板机系统。Jansen(199〇)则提出了一个神经网络算法。他应用一个反向传播网络，通过细胞外多个神经元记录数据来对单个动作电位序列进行重构。与此相似，一个三层连接网络也被用于对植入在猫身上的束内微电极的多单元记录数据进行分类（MirfakhraeiandHorch1994)。最近，Oghalai等（1994)介绍了一种基于ART2算法（CarpenterandGrossberg1987)的自适应动作电位甄别器，用于对单个通道上记录到的多个动作电位序列进行分类。新近，Ohberg及合作者（1996)介绍了一种基于软件的方法，来实现对动作电位的实时分离。用这种方法对多通道记录数据实施动作电位分离的一个例子见图17-6。

所谓的多神经元数据采集处理器（MNAP，由Spect_Scientific提供）也在最近由Nicolelis及合作者介绍并使用（1997)。这是一个96道系统，每道可对4个动作电位序列进行区分。MNAP本身以及通过高速MXI总线由MNAP向PC的数据转换均由微计算机控制。MNAP在于对数据的采样，以及对波形的甄别，它也可以对外部设备产生同步化的实时信号。它带有一个输出板可以对模拟信号进行视听监控。Nicolelis等 (1997)对这个处理器进行了更为详细的介绍，并附有一些记录的例子。

也有一些商品化的设备可以对数据进行采集，包括应用线性聚类方法的动作电位甄别器（如Spike2,CED)。