神经活动记录

提供商 ：BrainVTA

服务名称 ：电生理

一、电生理记录介绍
电信号是神经活动的最直接表现，因此电生理记录是神经信号检测的金标准。通常可以分为在体电生理和离体电生理两种。

二、在体电生理记录
目前常用到的在体电生理为多通道细胞外记录，通过在动物特定脑区植入多通道电极（通常为16-64通道），记录单个神经元放电和一定区域神经活动总和的局部场电位信号（图1）。

图1.(A)在动物特定脑区植入多通道电极。（B）细胞外记录到的原始信号图及分选出两个单单位放电的波形图。（C）同步记录到的局部场电位（LFP）、动作电位（Spikes）、呼吸（Sniff）、舔水（Lick）信号图。

由于该技术可以在清醒行为动物特定脑区记录神经活动，因此广泛应用于感觉、运动、认知、决策、学习以及药理等多方面的研究。同时，该记录可以与光遗传等神经环路操控手段结合，研究特定神经元和神经环路的功能（图2）。

图2.(A)左：光遗传激活投射到NAc的BLA神经元的轴突末梢并记录NAc脑区神经元活动；右：光激活诱发的NAc神经元活动信号及动作电位波形图。（B）左：光遗传抑制投射到BNST的BLA神经元的轴突末梢并记录NAc脑区神经元活动；右：光抑制诱发的NAc神经元放电率降低。（C）光标记用于识别和刺激VTA脑区表达ChR2多巴胺能（DA）神经元。（Kim CK, Adhikari A, Deisseroth K. Integration of optogenetics with complementary methodologies in systems neuroscience. Nat Rev Neurosci. 2017 Mar 17;18(4):222-235.）

另外，如果不需要记录单细胞放电，而需要记录多个脑区局部场电位活动，则可以使用多脑区局部场电位记录的方法（图3）。该方法可以在小鼠同步记录6个不同脑区的局部场电位活动（一般要求两个脑区之间的最小距离大于2mm）。这种方法往往可以研究多个脑区在特定任务或行为状态下的神经联系以及神经活动的同步性等。

图3.(A)在动物多个脑区植入局部场电位电极。（B）电极植入后的小鼠及同步记录到的多脑区局部场电位信号图。(Mao X, Cao T, Li A. Multisite Recording of Local Field Potentials in Awake, Free-Moving Mice. Methods Mol Biol. 2018;1820:169-177.)

三、离体电生理记录
离体电生理记录多数采用膜片钳技术。主要分为单细胞记录和脑片记录。

单细胞记录主要记录细胞系或者原代培养神经元的电活动。可以进行单通道记录以研究特定离子通道的功能状态，也可以进行全细胞记录来测量整个细胞的兴奋性等电活动情况（图4）。单细胞记录在药理学研究中用来测试药物药效方面有独到作用，被广泛使用。

图4.（A）膜片钳技术原理。（B）单细胞记录系统。（C）GluA1受体拮抗剂PhTx阻断了慢性失活（TTX）培养皮层神经元导致动作电位波宽的增加。（Li B, Suutari BS, Sun SD, et al. Neuronal Inactivity Co-opts LTP Machinery to Drive Potassium Channel Splicing and Homeostatic Spike Widening. Cell. 2020 Jun 25;181(7):1547-1565.e15.）

脑片膜片钳则主要记录新鲜脑片上群体细胞的场电位或单个细胞的电活动。常用来研究特定脑区特定神经元的神经活动。比如可以记录长时程增强或长时程抑制研究突触可塑性（图5）；研究药物对特定神经元神经活动的影响并进一步分析这些效应是直接的还是间接的，是来自突触前还是突触后等（图6）；配合刺激（电刺激或光刺激）可以研究特定的神经环路类型等（图7）。

图5.（A）脑片膜片钳系统。（B）寡聚化Aβ通过补体C1q抑制海马CA3-CA1突触。（C）长时程增强。（Hong S, Beja-Glasser VF, Nfonoyim BM, et al. Complement and microglia mediate early synapse loss in Alzheimer mouse models. Science. 2016 May 6;352(6286):712-716.）
 

图6.胆碱能系统通过直接调节钙离子通道增强新皮质椎体神经元兴奋性。（A）记录的新皮质5B层椎体神经元（白色）叠加在胆碱能神经元（绿色）的轴突上。（B和C）胆碱能受体激动剂muscarine增加动作电位输出。（D和E）激活胆碱能受体增加高阈值钙电导。（Williams SR, Fletcher LN. A Dendritic Substrate for the Cholinergic Control of Neocortical Output Neurons. Neuron. 2019 Feb 6;101(3):486-499.e4.）

图7.（A，绿色）光遗传激活胆碱能神经元。（B和C）新皮质椎体神经元兴奋性增强。（Williams SR, Fletcher LN. A Dendritic Substrate for the Cholinergic Control of Neocortical Output Neurons. Neuron. 2019 Feb 6;101(3):486-499.e4.）

总之，离体的膜片钳记录技术是药理学神器，是神经环路具体机制研究的关键技术，常常和光遗传以及药理学方法结合实现神经环路特异性研究。