认知行为的啮齿动物模型极大地促进了我们对人类神经精神疾病的了解。然而，要阐明这类疾病或损伤的神经生物学基础，动物模型必须与在清醒、有行为的动物体内测量大脑功能的方法相配合，才能发挥更大的作用。用于系统神经科学水平研究的标准工具，由于成本、时间、寿命短以及一次只能测量几个脑区的选择性靶向性等各种因素，并没有为大规模、高通量的行为电池测试进行优化。在这里，我们将介绍两种不同的 “用户友好型 ”方法，用于构建细胞外电生理探针，测量大鼠执行认知任务时的单个单元或局部场电位。这两种探针设计都利用了几种现成的、价格低廉的商业产品，以方便生产，并在大脑目标位置方面提供了最大的灵活性，可根据实验需要进行扩展（32-64 个通道）。我们的方法允许在记录行为的同时记录神经活动，并在微观（单个单元）和更宏观（局部场电位）的大脑活动水平之间进行比较，以便更好地了解局部脑区及其连接网络如何支持大鼠的认知功能。我们相信，我们新颖的探针设计将使电生理学数据的收集变得更容易，并将开始填补基础研究与临床研究之间的知识空白。

一、简介

对临床数据具有高度转化效力的动物模型对于了解精神疾病的神经生物学以开发新型治疗策略至关重要。啮齿类动物可用于模拟认知和决策的复杂方面，这些方面在成瘾、神经精神和发育障碍或脑损伤后会受到损害。这类 “转化 ”任务包括测量注意力和警觉性、动机和奖赏学习、冲动性、执行功能等各个方面的任务，甚至包括像沉没成本这样抽象的概念。将此类任务在不同物种间进行转化，可以了解受控遗传或环境操作对行为和认知的影响，并进一步测试药物或神经调节疗法如何缓解认知缺陷。

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要填补临床研究与动物研究之间的转化知识空白，有赖于跨物种认知行为的共同生理回路。然而，很明显，例如，大鼠的前额叶皮层并不能清楚地模仿人类的前额叶皮层。长期以来，单细胞活动一直是了解特定脑区活动如何与行为相关联的 “黄金标准”。局部场电位（LFPs）已被越来越多地用作神经系统功能的中间测量指标，可与单细胞活动和脑电图/MEG 进行比较。重要的是，场电位以有节奏的振荡模式出现，并能捕捉到与局部尖峰脉冲直接相关的信息。此外，场电位还可用于描述与行为相关的更大规模的大脑相互作用。因此，单个单元和场电位活动可对大脑区域内发生的局部神经活动提供互补视图。

这其中存在许多技术障碍，阻碍了动物行为研究人员广泛采用体内采集大脑活动的方法。首先，用于探测体内神经功能的标准系统神经科学工具成本高、耗时长，而且需要专门的设备，这使得大规模研究（通常需要评估遗传、环境或药理操作对行为的影响）的实施面临挑战。因此，为啮齿类动物绘制大脑活动图开发具有成本效益、可扩展且实验室负担得起的工具和方法，并将电生理学作为辅助方法是非常重要的。其次，许多啮齿类动物模型在环境操作（如脑外伤、中风或慢性应激）下，神经活动和行为的变化会在数周至数月内发生。因此，开发可进行纵向数据收集的可靠方法至关重要。最后，目前还没有简单而经济有效的方法，可以同时绘制啮齿类动物多个区域的大脑活动图，这种方法与人类的全脑成像方法（fMRI、MEG、EEG）类似。此类研究与数据驱动方法相结合，已经发现了与认知和精神疾病相关的重要活动模式（默认模式网络的识别可能是最显著的例子）。因此，无需事先了解目标脑区，就能同时描述大鼠多个脑区活动特征的方法是非常有利的。

为了解决这些问题，我们在此介绍两种新型电极设计，用于测量单个单元或局部场电位，同时优先考虑低成本和多功能设计。重要的是，我们的探针成本约为商业供应商类似通道密度探针的 1/10。我们还介绍了定制 LFP 探针的制作过程，该探针采用类似的低成本、灵活设计，能够在数月时间内测量多达 32 个不同大脑位置的大脑活动。这种方法的新颖之处在于，我们精心布置的导线可对多个网络的广泛大脑活动进行无偏测量，并具有时间精度。这两种探针都能测量遗传/环境操作所需的长时间大脑活动。本文将介绍其原理、制造、植入和可量化的结果。我们相信，这些方法将使非生理学家也有能力测量大脑活动，以补充他们对啮齿类动物的行为研究，而这对于加深我们对人类神经系统疾病的了解是非常必要的。

二、研究材料和设备

2.1 探头设计背景

在清醒、有行为的动物体内收集慢性细胞外记录主要有两种方法。采用固定探针设计时，在手术过程中将导线降至目标脑深度，植入后无需调整。固定装置最多可有 384 个记录点，可同时针对多个脑区进行记录，Neuropixels 硅探针就是一个例子。另一种方法是利用微型驱动器沿垂直轴移动电极，以便在手术植入后前进。微驱动器的优势在于能到达神经密集区域，并穿过最初的损伤/炎症反应部位，但与固定式植入物相比，微驱动器的制造可能更具挑战性，成本也更高，而且能支持的多部位轨迹数量通常也有限。为了实现简单、经济的设计，我们定制了一个带有 32-64 个电极的固定探针，用于记录多部位单个单元；另一个探针带有 32 个通道，用于记录 “全脑 ”场电位。表 1 列出了制作探针所需的部件，包括供应商、库存编号和价格估算。包括导线、金针和电极接口板（EIB）在内的固定探针的成本约为每个探针 150 美元（见表 1 部件清单和价格）。请注意，我们的成本估算不包括阻抗调整仪器、手术器械或记录设备。

表 1. 单体探头和场电位探头的建议材料。

2.2 固定式单体探头设计

绝缘金属线通常用作单体记录的电压收集界面。许多不同尺寸（直径 5-50 μm）和类型（包括钨、不锈钢和镍铬）的金属丝已被用于采集单体。导线尺寸会影响同时记录的神经元数量、信噪比和电极阻抗水平。为了优化探针的使用寿命，我们设计了带有细镍铬丝的探针，并将其捆绑成刷子状，以减少对脑组织的损伤，从而方便植入。将微导线固定成束可以在一定程度上控制空间排列，而标准刷状电极则可能失去这种控制。在测试了各种直径的导线后，我们使用了直径为 12.7 μm 的导线，这是我们仍能植入大脑的最细导线。通常情况下，我们会将这种细导线扭曲成立体探针或四面体探针，以使其更加坚硬，但扭曲的后果是最终探针的整体直径变大。在我们的方法中，每根导线都被剪成 5-6 厘米的小段（使用碳化钨微型解剖剪刀）。导线的确切长度取决于目标位置的深度。有任何弯曲迹象的导线都会被丢弃。我们采用了几个步骤来增加这些导线的整体强度，以达到植入目的。首先，我们将八根导线插入金属套管，为每根导线提供重要的结构支撑。套管使用 30 号不锈钢管制作，切成 8-9 mm 的小段，用清洁线清洁管腔，并用电工胶带固定在玻璃显微镜载玻片上，以获得清洁、平整的表面（补充视频 1-3）。用精密镊子或镊子在一根金属套管的近端拉出 8 根剪断的金属丝，并在远端延伸至少 10 毫米。将远端的导线小心地分成两小束，每束包含四根导线（图 1A）。使用 30 号皮下注射针头涂抹少量强力胶，使线束彼此分开，但不覆盖电极尖端。每束四根导线又被分成两束，每束两根，并用强力胶固定到位（图 1A）。远端的导线用强力胶固定在金属套管上，并用锯齿状剪刀（Fine Science Tools）修剪至超出套管开口 6 毫米（补充视频 1-3）。导线超出插管的确切长度应根据大脑定位深度进行调整。

图 1. 单个探头和 LFP 探头的制作（A,B）、手术植入（C,D）和最终慢性固定植入（E）过程示意图。(A) 一个 32 通道单单元探针的制作步骤。一束八根导线的分叉（山特维克）。使用超级胶水将导线分成四束，然后再分成两束，每束两根。红色箭头指向第一次分离，蓝色箭头指向第二次分离。刷子状的形成减少了插入时对脑组织的潜在损伤。其中两个套管（8 个电极）被平行粘在一起（16 个电极）。将两个 16 个电极束组合在一起，就制成了 32 个电极组件。然后将所有 32 根导线连接到 EIB 板上，用金针（Neuralynx）固定，并用牙科粘合剂和强力胶覆盖保护。(B) 为了制作 LFP 探针 32，预先将 50 μm 的钨丝切割成 10 厘米长，然后将四根导线插入插管（Mcmaster-Carr）。根据目标脑区所需的背/腹（DV）测量值，测量每根导线超出套管的长度。在我们的设计中，插管中的每根导线都有独特的长度，用红色箭头表示并标注为 1-4。图中所示的两组插管将针对不同的 AP/ML 位置进行比较。我们准备了八组这样的电极（八个插管，四根导线），同样用金针固定在 EIB 板上，并用一小层牙科水泥加以保护。(C) 为手术植入 32 通道单体探头而进行的开颅手术。在插入电极之前，用牙科水泥将地脚螺丝和锚定螺钉固定在头骨上。植入物在立体定向控制下缓慢下降到目标深度。(D) 我们发现了两种成功植入 LFP 探针的方法：（1）可在手术前将插管固定在 EIB 板上；（2）可将插管逐个下降至目标位置，固定后在手术植入过程中将其连接到 EIB 板上。(E）用于慢性记录的固定探针。在手术过程中，探针会被牙科水泥覆盖以起到保护作用。如有需要，可在植入物的前部或后部添加支撑物。三十二通道单体探针和 LFP 探针使用相同的 EIB，因此两者看起来都像示例。有关探针制作的更多信息，请参阅补充视频。

2.3 局域场电位探针设计

对于 LFP 探针，我们选择 50 μm 的钨丝预切成 10 厘米长的金属丝。预切割的金属丝大大促进了这一过程的标准化，而且比卷绕的金属丝更直。由于阻抗较低（有助于记录较低频率），我们选择 50 μm 的金属丝来捕捉场电位。虽然这种厚度会增加植入时损伤和发炎的几率，但每个部位只放置一个电极，与较大尺寸的多电极/四电极相比，可最大限度地减少局部损伤。每个套管的设计都针对同一 AP 和 ML 位置的四个不同深度。因此，每个插管都针对特定的 AP/ML 位点进行了优化，通过测量插管远端的导线延伸量，将电极调整为不同的长度（图 1B）。从插管伸出的导线长度从 2 毫米到 9 毫米不等，测量时考虑了颅骨和皮质表面之间的空间，以防止插管伸出颅骨表面。采用标准方法插入和标记导线对于将每根导线映射到 EIB 通道上非常重要。我们建议将导线的近端剪断，以代表最短-最长的远端导线长度，或者用彩色胶带给每根导线涂上颜色。每个套管直径为 0.5 毫米，四个突出的导线尖端覆盖的区域宽约 0.12 毫米。电极束可以批量制备，并在使用前安全地存放在有盖的抽屉/托盘中数月之久。我们制备了八组这样的电极，贴上标签（1-8）并在高压灭菌器中灭菌（图 1B）。用于场电位记录的电极没有电镀。在我们的标准方法中，所有 32 根导线都植入一个半球，但我们的设计具有多功能性，研究人员可以针对半球内或半球间的不同脑区进行研究。其余的组装工作（插入导线并固定到 EIB 中）在植入手术中完成，详情如下。一个训练有素的人可以在 1-2 小时内完成 8 个探针的制作。当探针被牙科粘合剂保护层覆盖并与地脚螺丝固定在一起时，探针重约 7.25 克，大小约为 22 × 27 × 20 毫米。

2.4 电生理记录

大鼠在一个 6.2 × 4.7 × 6.23 英寸的操作室中进行记录，操作室的天花板有一个开口，以便电生理电缆自由移动。操作室和软件控制由我们开发并用于本研究和其他研究，如前所述（77, 78）。每个实验箱周围都有一个法拉第笼，实验箱使用 24 V 电池供电，以减少电气（60 Hz）噪音。每个 RHD 32 通道录音前级都与 RHD SPI 接口电缆（Intan Technologies，美国加利福尼亚州洛杉矶）相连，该电缆经过屏蔽处理，以防止电缆在录音过程中受损。接口电缆均连接到接地电动换向器（图 2A）。

图 2. 在视觉辨别任务中记录局部场电位活动的示例，说明操作室内植入大鼠的情况。(A)大鼠在操作室内进行记录，操作室内配有五个带 LED 灯的鼻孔、一个可视屏幕和五个通过鼻孔输水的电机。大鼠的 EIB 板（32 或 64 通道）与安装在换向器（TDT）上的 RHD 头台和接口电缆（Intan Technologies）相连。单个单元数据通过 TDT 设备收集，并用 Synapse 软件记录，而 LFP 数据则通过 Intan 设备收集，并用 Open Ephys 软件处理。(B) 图中显示的是单次记录过程中 32 个通道中 7 个通道的原始 LFP 曲线示例。(C) 从电极 A29C 记录的五次试验的 LFP 曲线示例。灰色线条显示原始时间序列，蓝色线条显示 8-20 Hz（α/β）滤波活动。

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我们使用 32 通道 RHD 头台（Intantech，部件 C3324）记录 LFP 探针的信号，该头台通过 SPI 接口电缆连接到接地的 Intan RHD2000 评估板（Intantech，部件 C3100）上。Rhythm FPGA 是 Open Ephys 插件-用户界面的一部分，它从评估板读取数据 (76)。生理数据通过 Open Ephys 处理，采样率为 1.0 Ks/s，带宽为 0.1-999.4 Hz，DSP 为 0.3（图 2B、C）（76）。行为标记也是通过 LSL 软件使用为插件图形用户界面（https://github.com/aojeda/plugin-GUI）编写的定制插件捕获的，并存储为 xdf 文件。原始 LFP 迹线示例见图 2B、C。TDT 和 Intan 装置都能记录单个单元和局部场电位数据。我们同时拥有这两套系统，因此 TDT 用于记录单个单元，Intan 用于记录 LFP，但这两套系统并不是必须的。记录过程持续 60 分钟。大鼠平均每周记录三次。

2.5 行为训练

我们操作任务的全部细节和相应的电生理结果已在之前的文章（79）中进行了描述。在此，我们简要介绍我们的一项行为任务，以展示如何利用我们的探针研究啮齿动物的认知行为，并显示所捕获的生理信号的质量。所有行为训练和测试都是在定制的行为室中进行的，行为室配有显示视觉刺激的屏幕和五个鼻孔，每个鼻孔都有 LED 和由电机控制的喷水口（77）（图 2A）。视觉辨别 “走/等 ”任务是一项运动抑制测试，要求大鼠根据视觉提示做出适当反应（“走 ”或 “等”）。在 “走 ”的试验中（带条纹的垂直火箭），大鼠有 2 秒钟的时间做出反应，从而获得水奖励。错误（如果大鼠未能在 2 秒钟内做出反应）会导致超时和不给水。在 “等待 ”试验（水平的白色火箭）中，大鼠必须在 2 秒钟内不做出反应。如果大鼠在做出反应后正确暂停，则会获得水奖励，而如果大鼠没有暂停，则会出错。试验中 75% 为 “等待”，25% 为 “开始”，以捕捉较难正确执行的动作延迟行为。生理活动与试验开始或反应的时间锁定。我们通常会在手术后等待 1-2 周再恢复行为测试和电生理记录。

2.6 组织学分析

研究结束后，使用 Nano-Z (Neuralynx)，通过每个通道 10 秒钟的 12 μA 电流对单个单元电极尖端进行标记（场电位探针不进行标记）。大鼠在深度麻醉（100 毫克/千克氯胺酮、10 毫克/千克甲苯噻嗪 IP）下经心灌注生理盐水，然后再灌注 4% 福尔马林后死亡。提取大脑并在 4% 福尔马林中浸泡 24 小时，然后保存在 30% 蔗糖 4% 福尔马林中，直至准备切片。使用脑基质， 六个大脑在冠状面以 50 μm 厚度冷冻切片。对 11 个大脑进行石蜡包埋，切片厚度为 20 μm（由组织技术共享资源处理；CCSG 资助 P30CA23100）。用硫嘌呤对脑切片进行尼氏体染色。用放大 40 倍的玻片扫描仪对切片进行处理，以确定单细胞和 LFP 探针在目标脑区的电极轨迹。在无法识别电极尖端时，通过将切片中的地标与大鼠地图册进行匹配来推断电极的位置（图 3、图 4）。

图 3. 6/9 只大鼠完成了单体探针组织学检查。有一只大鼠无法确定电极位置。大鼠大脑冠状切片显示 ACC（1 只）和 OFC（4 只）中的刷状电极。用 Zen lite 软件（蔡司）从放大 40 倍的玻片扫描仪图像中观察到的轨迹位置。电极目标和记录位置示意图绘制在改良的大鼠脑图谱上[改编自(75)]。红框代表与 32-64 通道刷状微电极目标位置相比的估计记录区域。在前囟前 3.2 至 2.5 毫米处可见 ACC 电极轨迹（显示为 AP + 3.2 毫米）。OFC 电极位于前囟前 4.0 至 2.5 毫米处（显示为 AP + 3.5 毫米处）。

图 4. LFP 记录点的组织病理学。对 10/30 只带有 LFP 探头的大鼠进行了组织病理学检查。每只大鼠都有针对所有 32 个坐标的电极。切片通过 Aperio Imagine Scope的幻灯片扫描仪以 40 倍放大率观察。所有八个插管的电极目标和实际位置示意图绘制在改良的大鼠脑图谱上。黑点代表一个插管中四根导线的电极深度估计值。并非每只大鼠都能看到所有电极。从囟门前+4.5毫米处开始到+3.0毫米处（显示在+3.75毫米处），可以看到1号和2号套管的轨迹。3 号和 4 号套管的组织病理学检查。在大脑冠状切片中观察到第 3 号套管的痕迹，从前囟前 +2.5 mm 开始，一直延伸到 +0.5 mm。4 号套管也从 +2.5 毫米处开始，但在前囟-1.0 毫米处被观察到。这两个插管都显示在 AP +2.0 mm 处。5 号和 6 号插管的组织病理学。5 号和 6 号插管的电极轨迹首次出现在距前囟-1.5 毫米处，在一只大鼠身上则出现在前囟-3.5 毫米处。5 号针管未能拍摄到全脑图像，但仍显示了轨迹的特写示例。两条轨迹都绘制在 AP -2.5 毫米处的冠状切片上。插管 7 的组织病理学。第 7 号套管的痕迹最早出现在前囟-2.5 毫米处，在后囟-4.5 毫米处可见。图中所示的 7 号插管位于 AP -3.5 mm 处。第 8 号套管的组织病理学。插管 8 的电极位置显示在 AP -6.0 mm 处，但其轨迹最早出现在前囟 -4.5 mm 处，直至 -6.0 mm。术语与 (75) 一致。A24、A25、A29、A30、A32D、A32V、A33，扣带皮层；AcbC，杏仁核核心；AcbSh，杏仁核外壳；AID、AIV，粒状岛叶皮层；BLA、BLV，杏仁基底外侧核；Ce，杏仁中央核；CA1、CA2、CA3，海马；CM，丘脑中央内侧核；CPu，尾状核；DG，齿状回；DP，背侧足皮层；M1，初级运动皮层；M2，次级运动皮层；MD，丘脑内侧核；PC，丘脑旁中核；Pta，顶叶联想皮层；STh，丘脑下核；V1，初级视觉皮层；V2，次级视觉皮层；VO，腹侧眶皮层。

三、研究结果

我们用 39 只大鼠来研究我们的新型固定探针捕获单个单元或场电位的可行性、寿命和质量。表 3 列出了可量化的结果，并与其他用于啮齿动物单单元记录的定制和商用电生理设备进行了比较。在 9 只植入 32-64 个通道的动物身上记录了单细胞数据，这些通道分别针对 ACC（2 只）、OFC（6 只）或两者（1 只）。对 6/9 只大鼠（ACC N = 1；OFC N = 5）完成的组织学分析证实了电极在目标脑区的位置（图 3）。ACC轨迹的证据可见+3.2至2.5毫米AP；0.6毫米ML；相对于前囟达到3.0毫米DV。在 OFC 的探针位置，可以看到 AP +4.0 至 2.5 mm；ML 2.0 至 2.8 mm；以及相对于前囟的 DV 4.5 至 5.0 mm。在某些情况下，可以看到单根导线偏转达 ~150 μm（图 3）。我们能够在 ACC 和 OFC 收集到波形清晰的尖峰（图 5A-D）。除了符合低 ISI 侵犯（1.5% <3 ms）的标准外，我们收集到的大多数单个单元在 ISI 直方图中都有一个可见峰值，并在空间中产生了单独的簇（k-均值）。我们在 104 个行为过程中总共收集了 649 个单元。平均产量（神经元/脑区）在 ACC 为 7.32 ± 0.06 SEM，在 OFC 为 5.81 ± 0.03 SEM（所有环节的平均值）（图 5E）。ACC 探针的效率（神经元/电极）为 0.23 ± 0.01 SEM，而 OFC 探针的效率为 0.15 ± 0.01 SEM（图 5F）。我们的固定探针可存活 24 周（168 天）。所有探针的平均寿命为 8 周（56 天）。由于与 COVID 相关的实验室关闭，所有数据收集时间小于 5 周的动物（N = 4）都提前结束了研究，这可能无法准确反映我们的固定探针设计的长期能力。平均集群计数（每只大鼠每次记录的神经元总数）在 3-4 次记录（植入后约 2-4 周）时达到峰值，但在剩余的记录中保持稳定（图 6A）。在所有动物和记录过程中收集到的 ACC 神经元的平均发射率为 4.8 ± 4.6 Hz（标准偏差），而 OFC 神经元的平均发射率为 4.2 ± 4.7 Hz（标准偏差），这与之前的文献（88-93）一致。只对 OFC 神经元进行评估的平均信噪比（SNR）为 11.74 ± 0.21 SEM。信噪比在不同时间段保持稳定：第一次记录时为 11.85 ± 0.58 SEM（N = 7 只大鼠），第四次记录时为 11.13 ± 0.72 SEM（N = 7 只大鼠），11 次记录后为 12.86 ± 0.26 SEM（N = 2 只大鼠）（图 6B）。此外，个别例子还表明，我们的单元质量一般不会随着时间的推移而下降。图 6C 显示了两个神经元的波形、尖峰计数和 ISI 直方图，这两个神经元采集自同一个多电极，采集时间相隔 10 周。我们没有采取多天跟踪神经元的措施，因此无法断定这两个单元是否是在 10 周内保持的同一个神经元。在视觉辨别 “走/等 ”任务中，尖峰活动与行为事件（试验开始或反应）时间锁定。在 “走 ”的试验中，所有神经元的平均发射率（基线归一化）显示，ACC 和 OFC 神经元对行为任务的反应通常不同（图 6D）。在前反应期，ACC 神经元对刺激映射的反应更为活跃，而在结果/奖励评估期，OFC 神经元的反应更为活跃。通过对波形特征（超极化持续时间和峰谷宽度）进行 k-means 聚类分析，可视化所收集的兴奋/抑制神经元的推测数量。58 个 OFC 神经元（15%）被归类为抑制性快速尖峰神经元（超极化时间短、宽度小），306 个神经元（81%）被归类为兴奋性神经元（超极化时间长、宽度大）（图 6E）。在 ACC 神经元群中，46 个神经元（21%）被归类为抑制性神经元，170 个神经元（78%）被归类为兴奋性神经元（图 6E）（94, 95），这表明在这两个脑区发现的单元具有相似性。

图 5. 在 OFC（A-D）记录 1 天的尖峰分类数据示例，以及从 OFC 和 ACC 单个单元记录中获得的产量（E）和效率（F）。使用 Wave_Clus 软件对单通道检测到的尖峰进行离线分类。(A-C）Wave_Clus 从一个 “polytrode”（16 个通道束）中识别出的五个群集（不同颜色）。(A) 显示的是每个通道（1-16）的平均波形。(B) 每个集群的尖峰计数和尖峰间期直方图。只有 ISI 违反率低于 1.5%（<1.5% 的尖峰发生在 3 毫秒内）的群集才被视为单个单元。(C) 五个已识别集群在不同通道（即 C1 = 通道 1）上的平均波形。(D) 在通道 1-16 上发现的所有五个集群（不同颜色）的平均波形，以及在 k-means 空间中分离的已识别集群。利用这些标准对单个单元进行分类，我们评估了单个单元探针的产量（E）和效率（F），显示为盒状和须状图，并标注了平均值（x）和中位数。(E）这里，产量以每只动物和每个记录时段的神经元/面积计算。在 OFC，我们的平均产量为 5.82 个神经元/面积，而在 ACC，平均产量为 7.32 个神经元/面积。(F)效率，即每只动物和每个记录时段收集到的神经元数量/通道，在 OFC 平均为 0.15，在 ACC 平均为 0.23。

图 6 质量单元 进一步分析质量单元，并将其与行为任务事件进行时间锁定。(A）绘制了每只大鼠（N = 9）在不同阶段的集群计数，以显示我们的探针在长期时间跨度内捕捉质量信号的能力。簇计数（每次会话记录的单元数）从每次会话记录的最多 21 个单元到最少 0 个单元不等，并且在整个时间跨度内基本保持稳定。(B) 所有 OFC 单元（N = 7）的平均 SNR 随时间（会话编号）变化。误差条表示 SEM 值。条形图代表在每个时段有活动电极的大鼠数量。在 11 个记录时段（约 12 周）内，有工作植入电极的大鼠从 7 只减少到 2 只。(C) 12 周内收集到的单个单元在不同时间段内保持相对稳定，这一点可以从不同时段的群集计数和信噪比看出。为了说明这一点，我们还比较了第 1 周和第 11 周收集的同一多电极 OFC 单元的波形、尖峰数和 ISI 直方图。我们没有进行跨时间单元追踪分析，因此无法确定这是否是在 10 周内保持的同一单元。(D) 在 “走/等待 ”任务中，所有 ACC（黑色虚线）和 OFC（红色实线）神经元在正确的 “走 ”试验中的平均发射率（尖峰/秒）。将前反应基线（前 500 毫秒）期间的平均发射率减去随后时间段内的发射率，并与试验开始时间锁定，从而对活动进行基线归一化。通过配对样本 t 检验得出的显著活动差异（p < 0.05）用星号表示。(E) K-均值聚类用于根据神经元的波形特征将其归类为假定兴奋性或抑制性神经元。ACC 和 OFC 神经元根据其超极化持续时间（毫秒）和宽度（毫秒）（以峰-谷持续时间衡量）进行分类。蓝点代表快速加电的抑制性神经元（超极化时间短、宽度小），红点代表兴奋性神经元（超极化时间长、宽度大），绿色代表异常值。每个点可能代表多个神经元。

四、讨论

为了在基础研究和临床研究之间架起一座理解的桥梁，即使是非生理学家也有必要获得经济实惠、可扩展的方法来测量转化相关行为中的体内大脑活动。要实现真正的转化相关性，行为不仅应具有相似的行为特征，还应依赖于相似的电生理回路。生理学记录设备的新型设计旨在提高其效率（质量、数量和寿命），同时提供可用于多种实验的灵活设计。硅微阵列等探针试图通过增加可用于采集的通道数量来提高采集效率，而带有细线或生物兼容绝缘涂层的探针则是为了延长记录的寿命而设计的。从清醒的、有行为的动物身上获得稳定的细胞外信号很难维持很长时间，这其中有几个挑战。探针成功率的变化可能在很大程度上取决于手术植入过程中诱发的创伤以及异物引起的复杂炎症反应。由于细胞外记录的不确定性，当大量的金钱和时间花费在神经元产量低或寿命短的设备上时，尤其令人沮丧。为了简化探针的制作，使生理学数据收集更加 “用户友好”，我们试图提供一种简单、低成本、省时的解决方案，对执行操作任务的大鼠进行长期记录。我们收集单个单元的设计价格低廉（约 150 美元），制作时间仅需 4-6 小时，而且可以轻松定制，以达到目标脑区，最多可有 64 个通道。此外，探针体积小、重量轻，对于啮齿类动物的长期研究至关重要。所述 LFP 探针提供了一种新颖的解决方案，可同时记录 “全脑 ”活动，从而实现对生理活动的无偏采样，而且成本低、时间效率高。最终，来自单个单元和场电位的信息可共同用于阐明神经生理学信息，将认知行为过程中网络活动的微观和宏观水平联系起来。

由于尖峰分类方法和标准的不同，直接比较不同研究的效率非常复杂。例如，我们的探针并不像四极管/多极管那样在记录点之间有固定的距离，但我们利用多极管排序作为保守的指标来比较 16 个通道束上的尖峰。因此，将我们的结果与其他固定微线和刷阵列进行比较是最合适的，但这些阵列通常是按单个电极排序的，如果在许多记录点检测到神经元，则可能会夸大细胞数。我们捕获了植入后 24 周（168 天）的稳定尖峰活动（M,= 56 天）。我们探针的寿命与其他从运动皮层、听觉皮层、海马和丘脑记录单个单元的固定探针相似，约为 40-80 天（表 3）。虽然很难评估手术植入对大脑的损伤程度，但我们的镍铬细线硬度低，理论上可以减少对邻近脑组织的剪切和与剪切相关的炎症，从而延长我们的探针的寿命，这是进行慢性行为测量所必需的。我们没有评估同一神经元是否可以保持多天，而这对于电路分析来说是至关重要的信息。我们确实观察到波形的形状和特性在多天内保持一致，但不能断言这是否是同一个神经元。总之，我们的固定式单单元探针是一种令人满意的收集慢性数据的方法，特别是考虑到与其他研究相比，它成本低、省时、设计简单。

我们进一步展示了我们的固定探针设计如何用于收集场电位，这种方法在与单细胞记录结合使用时可作为微观和宏观电路之间的有用联系。我们的全脑 LFP 记录方法的主要优点是 (1) 电极记录是固定的，平均可保持稳定 7 个月（约 200 天），最长可达 14 个月（大于 400 天），因此研究人员可以研究短期（即药物）或长期（即脑损伤）操作后的活动变化。迄今为止，关于体内生理学设备能在如此长的时间内捕获高质量信号的报道十分有限。(2) LFP 可用于捕捉快速的时间动态，就像我们的单细胞探针一样，因此可用于测量精确计时的行为任务中的生理活动。我们探针设计的多功能性使其成为许多行为应用的有用工具，即使非生理学家也能轻松实现。(3) 我们的探针可同时测量来自广泛脑区和网络的活动，从而获得无偏见的生理学视图，这对脑图绘制和网络研究至关重要。一个插管容纳四根导线，每根导线的长度各不相同，这样的设计使我们能够同时瞄准多个脑区，同时尽可能保持手术植入的非侵入性。这种设计也是定制的，研究人员只受限于针对具有相同 AP/ML 坐标的大脑区域，并且可扩展至 64 个通道。此外，还可对配置进行调整，以便同时对两个半球的数据进行采样。研究人员建立了一个类似的固定探针，用于记录啮齿类动物的场电位和多单元活动，也与 Intan/Open-ephys 系统兼容。他们的设计采用了一个由 35-50 μm 钨丝组成的 16-32 通道阵列，制作时间短，成本低（3 小时；100 美元）。研究人员能够在皮质和海马部位记录长达 3 个月（约 90 天）的 LFP。我们的探针平均可持续 7 个月，因此可能有利于长期研究。此外，两种探针的主要区别在于电极记录点的排列。因此，我们的探针的优势在于所有 8 个套管都是独立构建的，可以针对不同的 AP/ML 坐标，从而能够测量整个大脑的广泛信号。

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