照亮一处,怎样同时听见多个脑区?
一项雄鼠研究把分布式微丝与光纤整合到轻量电极,覆盖18个记录位置,并验证场电位、单单位记录和基底前脑激活时的多区域信号变化。
大脑的活动分散在许多位置。若要知道一处输入如何伴随其他区域变化,记录就需要放到同一条时间线上。2023年6月13日发表于 Frontiers in Neuroscience 的研究,开发了一种同步记录与光刺激电极:微丝抵达不同深度,光纤送入刺激,多个位置通过同一模块连接。团队在自由活动雄鼠中评估它,既记录较慢的群体场电位,也用另一版成束微丝分离单单位信号,进一步观察基底前脑胆碱能细胞激活时的分布式响应。
轻量整合电极支持分布式场电位记录,另一版成束微丝可分离单单位。基底前脑胆碱能激活期间,多个皮层记录位置的theta成分减弱;场电位与单单位的受测连续记录时长分别达到数周与数天。
阅读目录 · 7个部分
脑区不在同一平面,记录也要跟着展开
规则排列的探针适合某些密集区域,但一张功能网络可能跨越左右半球和不同深度。研究将多个微丝与光纤的位置预先整合到一个模块,减少分散元件在安装时相互牵动的问题。这里的目标,是让一组分布式信号能够同步抵达记录端。
原型重约0.28克,研究选择了16个默认模式网络相关位置及两侧基底前脑,共18个位置。另一种版本采用成束微丝,重点记录基底前脑和部分皮层区域的单单位信号,两版承担不同的观察任务。
位置对上了,信号才有具体的来源
组织切片显示,受测微丝尖端和光纤落在计划的脑区附近。前额叶、扣带皮层、压后皮层、感觉相关区域以及基底前脑的定位图,把多个通道与实际组织位置对应起来。记录中的不同名称,由此有了可查看的解剖背景。
这些位置跨越皮层与皮层下区域,构成了同步观察的空间跨度。定位结果支持这次原型测试的可用性,电信号的内容则还要从波形、频谱和动物状态中进一步识别。
来源:Zhang Q et al. · Frontiers in neuroscience · CC BY
查看原图与英文图注 ↗
从慢节律到海马涟漪,都能进入记录
多通道场电位在同一时间窗口呈现不同脑区的活动。较长记录又把频谱与头部加速度放到一起,展示自由活动过程中信号怎样随活动和休息变化。评估中,场电位等电生理信号可持续记录至少四周。
团队还在海马CA1记录到高频涟漪样活动,并观察到视觉闪光相关的较低频率响应。高、低频示例分别展示电极可捕捉的信号范围:同一观察系统可以容纳不同节律,而这些节律仍各有具体脑区和情境。
来源:Zhang Q et al. · Frontiers in neuroscience · CC BY
查看原图与英文图注 ↗
换一种微丝配置,靠近单个放电单元
场电位描述局部群体电活动,单单位记录则尝试把不同细胞的放电分开。成束微丝版本在基底前脑及部分默认模式网络相关区域采集信号,多个通道可以看到叠加在较慢活动之上的尖峰。
大多数受测通道能够检出单单位活动,部分单元信号可连续检测至少五天。这个时间范围与场电位的数周记录不同;能否看到群体节律、能否分离单元,是对电极性能的两种不同检验。
来源:Zhang Q et al. · Frontiers in neuroscience · CC BY
查看原图与英文图注 ↗
单元分开后,休息与探索出现差别
依据尖峰形状、聚类与放电特征,研究从基底前脑信号中分离不同单元。其中一部分按电生理特征推定为PV阳性细胞,休息时放电频率高于自由探索时。这里的类型判断来自波形特征,未逐一以遗传标记确认。
这一示例把装置验证连接到动物状态:多通道记录不仅留下曲线,也能提取与行为场景相关的单元变化。观察到休息期放电增加,与证明这些细胞推动休息,仍是不同层次的问题。
来源:Zhang Q et al. · Frontiers in neuroscience · CC BY
查看原图与英文图注 ↗
照亮基底前脑,同时观察分布式响应
研究进一步在基底前脑胆碱能细胞中表达ChR2,组织标记显示荧光细胞大多与ChAT重叠。激活期间,多个皮层记录位置的theta成分减弱,把一个受控输入与远处的场电位变化放在了同一时间线上。
不同位置的频谱响应可以同时展开,而不必在不同动物或不同时间里分别拼接。这一示例验证了整合光输入与多点电记录的能力,也为观察脑区间的状态变化提供了数据基础。
来源:Zhang Q et al. · Frontiers in neuroscience · CC BY
查看原图与英文图注 ↗
把分散位置,放回同一个时间问题里
这项测试来自成年雄鼠,较长记录评估主要涉及三只小鼠。微丝定位、场电位和单单位示例共同呈现原型能力,长期追踪仍受材料与组织反应、位置偏移和单元识别稳定性影响。
它的具体贡献,是将分散脑区活动与一处光输入共同记录。网络研究因此可以从“各处发生了什么”,继续考察“这些变化在同一时刻怎样出现”;具体连接方向、细胞身份及行为作用,则需要与相应的实验检验结合。