在体多通道记录技术的应用及实验流程

东乐自然基因2015-10-30

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大脑与神经元

人类大脑由大约 100 亿个神经元组成，神经元之间通过突触相互连接成复杂的功能网络，因而大脑是人体最复杂的器官。目前，人们对大脑的功能机制的认知还停留在较低的水平，研究大脑的功能也成为科学家的终极目标。

2013 年 1 月，人脑工程成为欧盟「未来新兴旗舰技术项目」之一，未来 10 年内将获得 10 亿欧元的科研经费。随后，奥巴马宣布将从 2014 财年的政府预算中拿出 1 亿美元，启动"人脑活动图"项目研究（Brain Activity Map project）。这两大脑科学研究计划势必将掀起神经科学研究的热潮。

神经元，又称神经原或神经细胞，是构成神经系统结构和行使功能的基本单位。神经元是具有长突起的细胞，它由细胞（Soma）和细胞突起-轴突（Axon）和树突（dendrite）构成。

神经元与神经元之间会发生频繁的信号传递与交互，从而构成非常复杂的神经网络。神经元之间的信号传递依赖于细胞膜上的离子通道（Ion channel）。离子通道的开闭会引起膜内外离子的交换，如 Na+/K+ 离子，从而引起膜电位的变化。

所以说神经元的信号传递会伴随着电活动，当达到一定阈值时，便可引发动作电位（A c t i o n p o t e n t i a l）。检测神经元动作电位的发生变成为研究神经活动的主要方法，比如传统的膜片钳技术。

在体多通道记录技术（in-‐vivomultichannelrecording）

传统的膜片钳技术是一种离体的记录方法（in-vitro）, 主要是针对离体培养的细胞和脑片进行记录，而且大多是单通道记录，一次只能记录一个细胞，通量不高。随后发展出了 MEA 技术，即 Multi-ElectrodeArray，利用多电极阵列对细胞或脑片进行记录，这样就变成了多通道记录，解决了通量的问题。

然而，离体状态下的记录与动物的本来状态还是相去甚远，尤其是研究动物在某种活动状态下的神经活动更加是不能实现。所以在体或活体状态的多通道记录便是迫切需要。

在体多通道记录（in-vivo multichannel recording）是在活体状态下研究动物神经活动的一种方法。将电极阵列植入动物的大脑某皮层或区域，电极后续接入高灵敏度的放大器及记录系统，将记录到的模拟信号转换成数字信号，在配套的记录软件上变可以观察到放电信号。

现在国际上已经有非常成熟的用于在体多通道记录的系统和产品，比如美国 Neuralynx 公司研发的 DitgialLynx 系统，其高速的采样率和 A/D 转换率、超低的噪音、最高可达 512 通道、超大的记录范围、简便易用的软件等方面，给研究者在神经科学研究方面带来极大的帮助！

在体多通道记录的实验流程

在体多通道记录主要包括动物手术、电极植入、信号记录采集及数据分析等步骤。

（1）动物手术：

以大小鼠为例，将实验动物麻醉，常用戊巴比妥钠或水合氯醛静脉注射的方法，有条件也可使用气

体麻醉。去除动物头顶处的毛，将动物固定在脑立体定位仪上，然后将头皮剪开，将组织清理干净，

露出头骨，可以比较清晰的看见骨缝。利用骨缝进行定位，确定电极植入的位置。

用颅骨钻在颅骨开天窗，一般方形的窗比较常用。小心取下骨片，再在天窗对侧脑区打下几个螺钉

孔，用来固定颅骨螺钉，一般打 2 至 4 个。用 1 ml 注射器针头小心去除硬脑膜，尽量避免出血。

（2）电极植入：

先固定颅骨螺钉，使得螺钉接触到脑组织，但又不过分压迫。用电极夹持器夹住电极，先定位在

天窗上方，将电极的地线缠绕在颅骨螺钉上。讲电极尖端紧挨脑组织表面。然后，用微推进器缓慢向

下推进（建议使用高精度的电动微推进器），使得电极进入脑组织。注意推进的速度，使电极缓慢到达

想要记录的脑区。

（3）信号记录：

连接好记录系统，包括 headstage，主机，电脑等。打开记录软件，观察放电信号。Neuralynx 的 DitgialLynx 系统配备 Cheetah 采集软件，可以同时显示高频 Spike 信号及低频信号，如 LFP/EEG/EMG，记录原始的未滤波信号，可在软件设置 input range、filter、thresholds 等参数，操作简单方便，界面友好。

待观察到稳定且信噪比较高的信号，便可开始记录。在记录同时还可以同时接入其他外源事件和刺激，如电刺激、光刺激。

除了麻醉状态下记录，还可以让动物清醒状态下进行记录。这样便可结合动物行为学，让动物完成各种任务并同时进行记录。

（4）信号分析：

记录好数据之后，便可进行数据分析。Neuralynx 提供 SpikeSort3D 进行 Spike Sorting。SpikeSort 3D 是一款用于 Spike 波形在线和离线的分类工具。它集成在 Cheetah DAS 软件中，同时也可以作为独立的程序。在 2D 和 3D 界面中，使用者可以轻松的手动定义不同的放电聚类，清晰明了。

SpikeSort 3D 提供主成分分析 PCA，并有多个特征值 features 可选，并提供 Cluster quality

measures-isolation distance 和 L-ratio

Sorting 之后，Neuralynx 还提供 NeuroExplorer 进行数据分析软件。NeuroExplorer 现在已经是第四代版本，可以提供最完整的一套 Spike 分析方法。研究者可以从多个角度分析连续的信号数据和神经元的数量。强大的内置的脚本语言，让许多分析工作的自动化，同时其开放式的分析环境，您可以使用其他程序来扩展其功能。

NeuroExplorer 可以读取多种文件格式，包括许多流行的数据采集系统，文本文件，Excel 电子表格和 MATLAB 创建的数据文件。为了帮助出示您的分析结果，NeuroExplorer 创建完全可编辑，达到出版质量的表格和图表。