|
大腦與神經(jīng)元  人類大腦由大約 100 億個(gè)神經(jīng)元組成，神經(jīng)元之間通過突觸相互連接成復(fù)雜的功能網(wǎng)絡(luò)，因而大腦是人體最復(fù)雜的器官。目前，人們對(duì)大腦的功能機(jī)制的認(rèn)知還停留在較低的水平，研究大腦的功能也成為科學(xué)家的終極目標(biāo)。2013 年 1 月，人腦工程成為歐盟「未來新興旗艦技術(shù)項(xiàng)目」之一，未來 10 年內(nèi)將獲得 10 億歐元的科研經(jīng)費(fèi)。隨后，奧巴馬宣布將從 2014 財(cái)年的政府預(yù)算中拿出 1 億美元，啟動(dòng)"人腦活動(dòng)圖"項(xiàng)目研究（Brain Activity Map project）。這兩大腦科學(xué)研究計(jì)劃勢必將掀起神經(jīng)科學(xué)研究的熱潮。 神經(jīng)元，又稱神經(jīng)原或神經(jīng)細(xì)胞，是構(gòu)成神經(jīng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和行使功能的基本單位。神經(jīng)元是具有長突起的細(xì)胞，它由細(xì)胞（Soma）和細(xì)胞突起-軸突（Axon）和樹突（dendrite）構(gòu)成。  神經(jīng)元與神經(jīng)元之間會(huì)發(fā)生頻繁的信號(hào)傳遞與交互，從而構(gòu)成非常復(fù)雜的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。神經(jīng)元之間的信號(hào)傳遞依賴于細(xì)胞膜上的離子通道（Ion channel）。離子通道的開閉會(huì)引起膜內(nèi)外離子的交換，如 Na+/K+ 離子，從而引起膜電位的變化。所以說神經(jīng)元的信號(hào)傳遞會(huì)伴隨著電活動(dòng)，當(dāng)達(dá)到一定閾值時(shí)，便可引發(fā)動(dòng)作電位（A c t i o n p o t e n t i a l）。檢測神經(jīng)元?jiǎng)幼麟娢坏陌l(fā)生變成為研究神經(jīng)活動(dòng)的主要方法，比如傳統(tǒng)的膜片鉗技術(shù)。  在體多通道記錄技術(shù)（in--‐vivomultichannelrecording） 傳統(tǒng)的膜片鉗技術(shù)是一種離體的記錄方法（in-vitro）, 主要是針對(duì)離體培養(yǎng)的細(xì)胞和腦片進(jìn)行記錄，而且大多是單通道記錄，一次只能記錄一個(gè)細(xì)胞，通量不高。隨后發(fā)展出了 MEA 技術(shù)，即 Multi-ElectrodeArray，利用多電極陣列對(duì)細(xì)胞或腦片進(jìn)行記錄，這樣就變成了多通道記錄，解決了通量的問題。  然而，離體狀態(tài)下的記錄與動(dòng)物的本來狀態(tài)還是相去甚遠(yuǎn)，尤其是研究動(dòng)物在某種活動(dòng)狀態(tài)下的神經(jīng)活動(dòng)更加是不能實(shí)現(xiàn)。所以在體或活體狀態(tài)的多通道記錄便是迫切需要。 在體多通道記錄（in-vivo multichannel recording）是在活體狀態(tài)下研究動(dòng)物神經(jīng)活動(dòng)的一種方法。將電極陣列植入動(dòng)物的大腦某皮層或區(qū)域，電極后續(xù)接入高靈敏度的放大器及記錄系統(tǒng)，將記錄到的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，在配套的記錄軟件上變可以觀察到放電信號(hào)?，F(xiàn)在國際上已經(jīng)有非常成熟的用于在體多通道記錄的系統(tǒng)和產(chǎn)品，比如美國 Neuralynx 公司研發(fā)的 DitgialLynx 系統(tǒng)，其高速的采樣率和 A/D 轉(zhuǎn)換率、超低的噪音、最高可達(dá) 512 通道、超大的記錄范圍、簡便易用的軟件等方面，給研究者在神經(jīng)科學(xué)研究方面帶來極大的幫助！ 在體多通道記錄的實(shí)驗(yàn)流程 在體多通道記錄主要包括動(dòng)物手術(shù)、電極植入、信號(hào)記錄采集及數(shù)據(jù)分析等步驟。 （1）動(dòng)物手術(shù)： 以大小鼠為例，將實(shí)驗(yàn)動(dòng)物麻醉，常用戊巴比妥鈉或水合氯醛靜脈注射的方法，有條件也可使用氣 體麻醉。去除動(dòng)物頭頂處的毛，將動(dòng)物固定在腦立體定位儀上，然后將頭皮剪開，將組織清理干凈， 露出頭骨，可以比較清晰的看見骨縫。利用骨縫進(jìn)行定位，確定電極植入的位置。 用顱骨鉆在顱骨開天窗，一般方形的窗比較常用。小心取下骨片，再在天窗對(duì)側(cè)腦區(qū)打下幾個(gè)螺釘 孔，用來固定顱骨螺釘，一般打 2 至 4 個(gè)。用 1 ml 注射器針頭小心去除硬腦膜，盡量避免出血。 （2）電極植入： 先固定顱骨螺釘，使得螺釘接觸到腦組織，但又不過分壓迫。用電極夾持器夾住電極，先定位在 天窗上方，將電極的地線纏繞在顱骨螺釘上。講電極尖端緊挨腦組織表面。然后，用微推進(jìn)器緩慢向 下推進(jìn)（建議使用高精度的電動(dòng)微推進(jìn)器），使得電極進(jìn)入腦組織。注意推進(jìn)的速度，使電極緩慢到達(dá) 想要記錄的腦區(qū)。 （3）信號(hào)記錄： 連接好記錄系統(tǒng)，包括 headstage，主機(jī)，電腦等。打開記錄軟件，觀察放電信號(hào)。Neuralynx 的 DitgialLynx 系統(tǒng)配備 Cheetah 采集軟件，可以同時(shí)顯示高頻 Spike 信號(hào)及低頻信號(hào)，如 LFP/EEG/EMG，記錄原始的未濾波信號(hào)，可在軟件設(shè)置 input range、filter、thresholds 等參數(shù)，操作簡單方便，界面友好。 待觀察到穩(wěn)定且信噪比較高的信號(hào)，便可開始記錄。在記錄同時(shí)還可以同時(shí)接入其他外源事件和刺激，如電刺激、光刺激。 除了麻醉狀態(tài)下記錄，還可以讓動(dòng)物清醒狀態(tài)下進(jìn)行記錄。這樣便可結(jié)合動(dòng)物行為學(xué)，讓動(dòng)物完成各種任務(wù)并同時(shí)進(jìn)行記錄。  （4）信號(hào)分析： 記錄好數(shù)據(jù)之后，便可進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。Neuralynx 提供 SpikeSort3D 進(jìn)行 Spike Sorting。SpikeSort 3D 是一款用于 Spike 波形在線和離線的分類工具。它集成在 Cheetah DAS 軟件中，同時(shí)也可以作為獨(dú)立的程序。在 2D 和 3D 界面中，使用者可以輕松的手動(dòng)定義不同的放電聚類，清晰明了。SpikeSort 3D 提供主成分分析 PCA，并有多個(gè)特征值 features 可選，并提供 Cluster quality measures-isolation distance 和 L-ratio。  Sorting 之后，Neuralynx 還提供 NeuroExplorer 進(jìn)行數(shù)據(jù)分析軟件。NeuroExplorer 現(xiàn)在已經(jīng)是第四代版本，可以提供最完整的一套 Spike 分析方法。研究者可以從多個(gè)角度分析連續(xù)的信號(hào)數(shù)據(jù)和神經(jīng)元的數(shù)量。強(qiáng)大的內(nèi)置的腳本語言，讓許多分析工作的自動(dòng)化，同時(shí)其開放式的分析環(huán)境，您可以使用其他程序來擴(kuò)展其功能。 NeuroExplorer 可以讀取多種文件格式，包括許多流行的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，文本文件，Excel 電子表格和 MATLAB 創(chuàng)建的數(shù)據(jù)文件。為了幫助出示您的分析結(jié)果，NeuroExplorer 創(chuàng)建完全可編輯，達(dá)到出版質(zhì)量的表格和圖表。  |
|
|
