神经环路应用（28）丨微电极脑皮层电图记录方法

大脑对外界环境的感知依赖于多种感觉模态（如视觉、听觉、触觉、嗅觉等）信息的整合。这种多感觉整合主要发生在高级联合皮层区域，其中小鼠的顶叶至颞叶皮层被认为是处理跨模态感觉输入的关键脑区。深入理解这些区域如何编码和整合不同感觉信号，对于揭示感知、注意、决策乃至意识等高级认知功能的神经机制至关重要。

传统神经记录技术在研究此类问题时面临诸多挑战。例如：单点记录技术（如单电极或硅探针）空间覆盖有限，难以同时捕获大范围皮层网络中多区域的协同活动；常规ECoG电极体积较大、刚性强，不适合小鼠等小型动物模型且易引发组织损伤或炎症反应，影响长期记录稳定性。近年来，柔性微电极脑皮层电图（flexible micro-electrocorticography, μECoG）技术的发展为解决上述问题提供了新途径。

柔性μECoG阵列优势

高空间密度与覆盖范围：可同时记录数十至上百个通道的局部场电位（LFP），覆盖从顶叶到颞叶的广泛皮层区域；

生物相容性好、机械柔顺：能贴合大脑曲面，减少对脑组织的机械应力，适合长期植入；

保留硬脑膜完整性：通常置于硬脑膜上方或紧贴其下，避免直接穿刺脑实质，降低免疫反应；

适用于清醒行为动物：支持在自然感知或任务执行过程中进行高时空分辨率的神经活动监测。

实验使用3–6月龄的雄性C57BL/6J品系小鼠，所有小鼠均饲养在12小时光照/黑暗循环环境中（光照时间为早上7:00至晚上7:00），环境温度维持在24 ± 3 °C，湿度为55 ± 5%，食物和饮水自由摄取。手术前，小鼠与其同笼伙伴共同饲养。

柔性μECoG片的外科植入

对雄性小鼠在其左侧颅骨半球植入μECoG电极阵列。手术过程中，为进行清醒状态下的记录，小鼠接受0.75 mg/kg盐酸右美托咪定、4.0 mg/kg咪达唑仑和5.0 mg/kg酒石酸布托啡诺混合麻醉；若为麻醉状态下记录，则使用1.2 g/kg乌拉坦麻醉。手术期间，小鼠被固定于立体定位仪中并置于加热垫上以维持正常体温。

沿脑中线切开头皮，暴露颅骨后，切断连接顶骨边缘的颞肌肌腱，以便为μECoG阵列的植入预留空间。为提供机械支撑，在颅骨上安装四枚不锈钢锚定螺钉：一枚置于额骨，一枚置于顶骨，其余两枚作为接地和参考电极插入小脑上方的枕间骨。开颅前，将牙科丙烯酸树脂涂覆于暴露颅骨边缘，用于固定螺钉并保护接地与参考导线。随后，在冠状缝至人字缝之间沿前后轴、从右侧顶骨至左侧鳞状骨之间沿内外侧轴钻出一个矩形骨窗。手术过程确保硬脑膜完整无损。为便于植入后固定，将头部固定板临时用胶带粘附在印刷电路板上。一根公头排针被固定在额骨上作为设备支架，μECoG通过焊接方式牢固地连接到颅骨上的PCB。随后，将μECoG阵列小心地插入大脑与鳞状骨之间的间隙。

Fig1 片状μECoG装置植入的手术流程

注意：柔性μECoG片被放置在硬脑膜表面。

植入完成后，将开颅时移除的顶骨重新覆盖于开颅区域并用牙科丙烯酸树脂包埋固定。临时用胶带固定的头部固定板最终被牢固安装在头部。术后，小鼠被放回饲养笼并置于加热垫上维持体温直至开始记录。清醒状态下的记录至少在手术完成后3小时进行。需特别注意的是，成功植入的关键在于避免损伤硬脑膜，这通过在手术过程中谨慎操作钻头、镊子及植入装置得以实现。

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行为任务与记录

小鼠头部被固定于实验装置上并置于隔音箱内进行多感官刺激任务。电风扇提供背景声音（50 dB）及通风。白色LED灯置于右眼前方，气味管和气流管分别置于鼻尖和胡须前方。多感官刺激控制器由定制程序开发。该程序伪随机地控制视觉刺激（频率10 Hz）、躯体感觉刺激（气流速率2.5 L/min）和嗅觉刺激（气流速率1 L/min，1%苯甲醛溶于矿物油）各持续3秒，试验间隔约为10–20秒。清醒状态下实验共进行100次试验，麻醉状态下则为150次（每种刺激各50次）。

局部场电位（LFP）和事件信号使用Open Ephys记录系统以20 kHz采样率采集，后续分析时降采样至1,250 Hz。神经信号通过64通道头部放大器进行放大。为连接μECoG装置与头部放大器，使用定制适配器，一端匹配装置上的柔性扁平电缆连接器，另一端匹配头部放大器上的纳米条形连接器。

数据分析

数据分析使用MATLAB软件。通过将各次试验中刺激起始时刻对齐后平均LFP，获得刺激诱发的LFP响应。为识别各电极上由感觉刺激诱发的LFP可比每个电极在刺激前（-600至0 ms）和刺激后（0至600 ms）的LFP峰值振幅。为比较不同电极或不同刺激间的LFP振幅，也使用刺激后0.6秒内的LFP峰值振幅。

微电极脑皮层电图记录方法作为一种新颖的用于从小鼠的顶叶到颞叶皮层记录多感觉神经活动。这种方法可能涉及使用灵活的μECoG电极阵列，通过外科手术植入小鼠的颅骨下方但位于硬脑膜上方以监测来自不同感觉模式（如视觉、听觉和触觉）的神经信号响应。该技术能够提供高分辨率的神经活动图像，并且由于其微创性以及对大脑自然结构的较少干扰，使得长时间稳定记录成为可能。

文献引用：

• Agadagba SK, Eldaly ABM, Chan LLH. Transcorneal Electrical Stimulation Induces Long-Lasting Enhancement of Brain Functional and Directional Connectivity in Retinal Degeneration Mice. Front Cell Neurosci. 2022 Feb 7;16:785199. doi: 10.3389/fncel.2022.785199. PMID: 35197826; PMCID: PMC8860236.

• Wei, S., Jiang, A., Sun, H. et al. Shape-changing electrode array for minimally invasive large-scale intracranial brain activity mapping. Nat Commun 15, 715 (2024). https://doi.org/10.1038/s41467-024-44805-2

• Setogawa S, Kanda R, Tada S, Hikima T, Saitoh Y, Ishikawa M, Nakada S, Seki F, Hikishima K, Matsumoto H, Mizuseki K, Fukayama O, Osanai M, Sekiguchi H, Ohkawa N. A novel micro-ECoG recording method for recording multisensory neural activity from the parietal to temporal cortices in mice. Mol Brain. 2023 May 3;16(1):38. doi: 10.1186/s13041-023-01019-9. PMID: 37138338; PMCID: PMC10157930.

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