动物行为与光电专题（33）丨光遗传结合光纤记录异常beta振荡

动物行为学实验

在实验开始之前，每天在固定的时间对每只动物进行捉持，每天5min，连续捉持抚触5天，以便最大程度的消除动物对实验操作人员的恐惧。

使用旷场行为实验对动物的运动功能进行检测，用视频监控设备对行为进行记录。将光纤跳线连接到小鼠头部的陶瓷插芯接口处，光纤跳线的另外一端连接到激光刺激器上，用刺激器Master 9（A.M.P.I,USA）控制激光刺激器的输出。在实验开始之前，先让小鼠自由活动5min以充分适应旷场环境。实验时，用视频追踪系统以及Any-maze进行记录，动物在各阶段运动轨迹的总长度，不动的时间和平均速度。动物行为测试完后用10%酒精擦拭旷场行为装置，并用吹风机吹干，随后再开始下一只动物测试。所有动物行为测试结束后，用Any-maze软件对运动距离和运动轨迹进行定量统计和分析。

光遗传应用

为了研究多巴胺能神经元对运动环路的调控作用，选择利用光遗传学的方法操控SNc多巴胺能神经元。将rAAV-TH-NLS-Cre和EF1α-DIO-NpHR-EYFP双病毒按照1：2比例混合后注射到C57BL/6J小鼠SNc脑区，使SNc的多巴胺能神经元特异性的表达抑制性光敏感蛋白（NpHR）和绿色荧光蛋白。利用光遗传的方法抑制SNc多巴胺能神经元的胞体，同时利用多通道电极在纹状体记录小鼠的脑电信号。将rAAV-TH-NLS-Cre和EF1α-DIO-NpHR-EYFP双病毒按照1：2的比例注射到右侧SNc脑区，将多通道电极植入到右侧背侧纹状体脑区。手术之后需要恢复两周，在病毒表达稳定后，对SNc的多巴胺能神经元胞体给予593nm波长的黄光刺激，刺激阶段共持续5min，刺激的模式为刺激1min停1min。

在抑制SNc多巴胺能神经元胞体时，背侧纹状体会产生异常增多的beta振荡。由实时频谱图和LFP功率谱密度图可以发现，12-25Hz频段的能量明显上升，而对照组（注射rAAV-TH-NLS-Cre和EF1α-DIO-EYFP）则没有任何频段发生改变。分析实验组和对照组在给抑制性光遗传刺激的阶段beta振荡能量的改变，分析发现实验组的beta振荡能量显著增加。

光遗传抑制SNc多巴胺能神经元胞体导致纹状体产生异常增多的beta振荡

A、对自由活动的小鼠同时进行光遗传干预和多通道记录示意图。B、病毒注射、光纤植入和光电联合电极植入示意图。C、实验刺激方案示意图。D、在背侧纹状体记录到的LFP信号的实时频谱图。图中横坐标表示时间，纵坐标表示的是LFP信号的频率，颜色由蓝到红反映了LFP信号能量强度，黄色标记代表了给光遗传刺激的时间段。与不给光刺激阶段相比，在给光遗传刺激的阶段，纹状体出现了异常增多的12-25Hz的beta振荡。

过度的beta振荡与PD运动功能障碍息息相关，PD患者和PD动物模型运动环路的各个脑区都出现了异常增多的beta振荡，使用左旋多巴等药物治疗后，PD运动功能障碍缓解的同时beta振荡的能量也降低。利用光遗传学结合行为学的方法，探究SNc多巴胺能神经元对运动功能的调控作用。将rAAV-TH-NLS-Cre和EF1α-DIO-NpHR-EYFP双病毒按照1：2的比例注射到右侧SNc脑区，将光纤植入到右侧背侧纹状体脑区，光遗传抑制SNc多巴胺能神经元到纹状体的投射末梢，用旷场行为检测小鼠的运动能力。

光遗传抑制SNc多巴胺能神经元到纹状体的末梢导致纹状体小鼠产生运动功能障碍

A、旷场装置和刺激流程示意图。B、在光遗传抑制之前和光遗传抑制时，小鼠在旷场中的运动轨迹图。由图可见，在光遗传抑制时小鼠的运动距离明显比光遗传抑制之前要短

参考文献：

• 钱丹丹. 帕金森病中异常beta振荡产生机制研究[D].东南大学,2022.

• Novel electrode technologies for neural recordings.[J]. Hong Guosong;;Lieber Charles M.Nature reviews. Neuroscience,2019

• A Novel 3D-Printed Multi-Drive System for Synchronous Electrophysiological Recording in Multiple Brain Regions.[J]. Ma Jun;;Zhao Zifang;;Cui Shuang;;Liu Feng-Yu;;Yi Ming;;Wan You.Frontiers in neuroscience,2019

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