大鼠大脑皮层和脊髓电生理信号的记录

南通大学学报（医学版）

（６）ＪｏｕｒｎａｌｏｆＮａｎｔｏｎｇＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ（ＭｅｄｉｃａｌＳｃｉｅｎｃｅｓ）２００６∶２６

・・４０３

［文章编号］（２００６）１０００－２０５７０６－０４０３－０３

大鼠大脑皮层和脊髓电生理信号的记录＊

沈卫星＊＊，姜正林＊＊＊

（南通大学航海医学研究所，南通２２６００１）

［摘要］目的：研究利用插入式微电极对大鼠大脑皮层和脊髓电生理信号进行长时间稳定采集、记录的技术方法。方法：以大鼠作为实验对象，分别在其大脑运动皮层和脊髓内插入电极，利用神经信号处理系统采集记录中枢神经电信号。结果：分别成功采集记录到皮层和脊髓内复合型中枢神经电信号。结论：插入式电极在皮层及脊髓能稳定记录到中枢神经电信号，为植入式微电极阵列在中枢系统特别是脊髓内的长期植入记录建立一定的实验基础。

大脑皮层；脊髓；电信号；大鼠［关键词］电极；［中图分类号］Ｒ３３８

［文献标识码］Ａ

Ｒｅｃｏｒｄｉｎｇｏｆｓｉｇｎａｌｓｆｒｏｍｃｅｒｅｂｒａｌｃｏｒｔｅｘａｎｄｓｐｉｎａｌｃｏｒｄｉｎｒａｔｓ

ＳＨＥＮＷｅｉｘｉｎｇ，ＪＩＡＮＧＺｈｅｎｇｌｉｎ

（ＩｎｓｔｉｔｕｔｅｏｆＮａｕｔｉｃａｌＭｅｄｉｃｉｎｅ，ＮａｎｔｏｎｇＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｎａｎｔｏｎｇ２２６００１）

［Ａｂｓｔｒａｃｔ］Ｏｂｊｅｃｔｉｖｅ：Ｔｏｉｎｖｅｓｔｉｇａｔｅｔｈｅｌｏｎｇ－ｔｉｍｅｒｅｃｏｒｄｉｎｇｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙｏｆｅｌｅｃｔｒｏｐｈｙｓｉｏｌｏｇｉｃａｌｓｉｇｎａｌｆｒｏｍｃｏｒｔｅｘａｎｄｓｐｉｎａｌｃｏｒｄｉｎｒａｔｓ．Ｍｅｔｈｏｄｓ：Ｍｉｃｒｏｅｌｅｃｔｒｏｄｅｓｗｅｒｅｐｌｕｇｇｅｄｉｎｔｈｅｃｏｒｔｅｘｏｒｓｐｉｎａｌｃｏｒｄｏｆｒａｔｓ．ＴｈｅｎｔｈｅｅｌｅｃｔｒｏｐｈｙｓｉｏｌｏｇｉｃａｌｓｉｇｎａｌｓｗｅｒｅｒｅｃｏｒｄｅｄｂｙＣｅｒｅｂｕｓＳｙｓｔｅｍ．Ｒｅｓｕｌｔｓ：Ｔｈｅｅｌｅｃｔｒｏｐｈｙｓｉｏｌｏｇｉｃａｌｍｕｌｔｉ－ｓｉｇｎａｌｓｗｅｒｅｒｅｃｏｒｄｅｄｉｎｃｏｒｔｅｘｏｒｓｐｉｎａｌｃｏｒｄｓｕｃ－ｃｅｓｓｆｕｌｌｙ．Ｃｏｎｃｌｕｓｉｏｎ：Ｔｈｅｅｌｅｃｔｒｏｐｈｙｓｉｏｌｏｇｉｃａｌｓｉｇｎａｌｓｆｒｏｍｃｏｒｔｅｘａｎｄｓｐｉｎａｌｃｏｒｄｃａｎｂｅｒｅｃｏｒｄｅｄｓｔａｂｌｙ，ｗｈｉｃｈｐｒｏｖｉｄｅｄｔｈｅｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙｆｏｒｔｈｅｒｅｃｏｒｄｉｎｇｗｉｔｈｍｉｃｒｏｅｌｅｃｔｒｏｄｅａｒｒａｙ．

［Ｋｅｙｗｏｒｄｓ］Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ；ＣｅｒｅｂｒａｌＣｏｒｔｅｘ；Ｓｐｉｎａｌｃｏｒｄ；Ｅｌｅｃｔｒｏｐｈｙｓｉｏｌｏｇｉｃａｌｓｉｇｎａｌ；Ｒａｔ

对脊髓损伤患者的治疗，在减轻继发性损伤的基础上促进脊髓再生与修复是一贯的治疗原则和方法［１］。运用功能性电刺激法可促进脊髓损伤后功能恢复［２］。随着微电极技术的发展，脑－机接口技术的研究报道日益增多，这项技术通过实时采集大脑皮层各区神经元相应运动时的电生理信号，经分析解码实时控制机器臂等外接功能装置实现部分机体功能的重建［３］。在脊髓损伤处植入微电极芯片，采集分析大脑皮层发出的运动控制信号，整合处理后输出到下行通路从而实现机体功能的重建将是未来研究的重点和方向［４］。本研究主要探索大脑皮层和脊髓电生理信号的采集记录方法，分析描述电信号的特征，从而为植入式微电极阵列的采集记录方法建立一定的实验基础。１１．１

材料和方法

（南通大学实验动物１．２手术及实验方法ＳＤ大鼠

中心提供）雌雄不限，其中５只记１２只，２３０￣２５０ｇ，录大脑皮层神经元的电信号，４只记录脊髓单电极电信号，３只记录脊髓多电极电信号。在大脑皮层电信号记录实验中，将动物经腹腔用复合麻醉剂（２ｍｌ／ｋｇ）麻醉后固定于立体定位仪，ＣｈｌｏｒａｌＨｙｄｒａｔｅ

在头顶部正中纵行切开皮肤、骨膜，以刀柄推开骨膜，在一侧冠状缝后矢状缝外颅骨上用牙科钻配合咬骨钳开出一直径约５ｍｍ的小孔，用显微镊挑破硬脑膜，暴露右侧运动皮层。将固定在微电极推进器上的单电极靠近大脑皮层并插入电极尖端，在记录电在大鼠右侧大腿插极一侧约１ｃｍ处置入参比电极，

入接地电极后进行记录。在脊髓电信号记录实验中，将动物同上述方法麻醉固定后，取背正中切口，切除注意勿伤及硬脊膜，暴露脊髓约１ｃｍＴ７￣Ｔ８处椎板，长，用显微镊挑开硬脊膜，暴露脊髓。正中偏右斜向插入单电极或多电极（含１０根微电极）插入（４５度）

深度为０．８￣１．０ｍｍ。同样放好参比电极及接地电极后进行记录。

长时间１．３计算机信号处理采用Ｃｅｒｂｕｓｓｙｓｔｅｍ，

记录电信号。进行有效阈值调节，获取去干扰电信

主要仪器１２８道神经信号处理系统（ｃｅｒｅｂｕｓ－美国）；立体定位仪（江湾Ｉ型，上海）；铂－玻ｓｙｓｔｅｍ，

璃微电极（尖端直径１０ｕｍ，阻抗３６０￣７４０ｋΩ，美国）；牙科钻多电极（自制）；微电极推进器（Ｐｆ５－１，日本）；（上海）；参比电极、接地电极、连接线等。

（９０３０７０１３）子项目＊［基金项目］国家自然科学基金重点项目

男，生于１９７１年４月，汉族，江苏省南通市人，实验师，硕士研究生，研究方向：中枢神经电生理。＊＊［作者简介］沈卫星，

电话：＊＊＊［通讯作者］姜正林，０５１３－８５０５１７９６，Ｅ－ｍａｉｌ：Ｊｉａｎｇｚｌ＠ｎｔｕ．ｅｄｕ．ｃｎ

・・４０４

南通大学学报（医学版）（６）２００６∶２６

号，进行组合波的纯化分离和频率、幅度、波长等分析处理。２２．１结

果

经ｃｅｒｅ－

（采样频率３０ｋＨｚ／ｓ，有效阈ｃｅｒｅｂｕｓｓｙｓｔｅｍ采集记录

电位选择为－１２０μ到一组比大脑皮层电信号较大Ｖ）的放电信号波形，经ｃｅｒｅｂｕｓ系统分离显示，可见４种独立的双向放电波形（图２）。其中两组波幅较大，两组波幅较小，其值为（５２０±其值为（３６５０±２８０）μＶ，（０．６±（０．４±μ２０）Ｖ。波长分别为０．１）ｍｓ和０．１）ｍｓ。

大鼠大脑皮层神经元放电波形观察

（采样频率３０ｋＨｚ／ｓ，有效阈电位ｂｕｓｓｙｓｔｅｍ采集记录

选择为－６０μＶ）到的电信号为阵发性双向波形（图。由图中看出，所记录到的大脑皮层神经元放电波１）

形主要有两种，由ｃｅｒｅｂｕｓ系统分离显示后可见两种（０．７±独立的双向放电波形，波幅（２８０±μ３０）Ｖ，波长。０．１ｍｓ）

图２脊髓神经传导束放电波形

Ａ叠加波形，Ｂ、Ｃ、Ｄ、Ｅ分离后的４种双向放电波形

大鼠脊髓Ｔ７￣Ｔ８处放电信号多电极观察经

（采样频率３０ｋＨｚ／ｓ，有效阈ｃｅｒｅｂｕｓｓｙｓｔｅｍ采集记录２．３

到８道（有２道无有效信号）放电位选择为－１２０μＶ）电信号波形（图３），经ｃｅｒｅｂｕｓ系统分别将８道信号

图１大脑皮层神经元放电波形Ａ叠加波形，Ｂ、Ｃ

分离后的两种双向放电波形

加以分离显示，可见多种独立的双向放电波形（图４显示了其中一个通道的一组波形）。其值为（１８５０±

经

波长为（０．７±２２０）Ｖ，０．１）ｍｓ

。μ

２．２大鼠脊髓Ｔ７￣Ｔ８处放电信号单电极观察

（无有效信号的通道未列出）图３多道脊髓神经传导束放电波形

层和脊髓的神经电活动，为将来植入式微电极阵列的应用提供了实验技术基础。

在大鼠右侧运动皮层记录到两种独立双向波形，提示在电极尖端处有两组局部场电位（ＬＦＰ）被同时记录到。而在脊髓记录到的电信号波幅明显高于运动皮层区，而且波形更为复杂，可能是因为单电极或多电极尖端插入点位于下行脊髓通路中，电极尖端靠近来自大脑不同神经元胞体的相对密集的轴

图４第１２通道的一组波形

突传导束，从而记录到复杂的脊髓的电信号波形。

本实验是在动物麻醉状态下进行的，随着时间变化，麻醉程度的不同，所记录到的信号发放频率、幅度有较大差异。因此，动物在非麻醉状态下的电信号尤其是脊髓电信号的采集分析有待进一步研究。对所记录的神经电信号波形进一步统计分析，从而解释相应的机体运动行为以及植入式微电极阵列的植入、采集、分析等研究也需进一步探索。

（下转第４０７页）

３讨论

脊髓损伤后，尽管细胞移植、桥接等方法能使轴脑－机接突部分再生［５］，但其功能恢复是相当有限的。口技术的应用为脊髓损伤患者机体功能的重建提供了可能性。目前在控制和运动信号的采集、数据解码和命令输出各环节的研究初有成效［６￣９］，这将使脊髓损伤患者由“想”变为“行动”成为可能［１０］。本实验采用Ｃｅｒｅｂｕｓ系统，分别稳定地记录到了大鼠大脑皮

（６）２００６∶２６南通大学学报（医学版）

・・４０７

通切片标本上，由于经有机溶剂处理，髓鞘中大部分类脂质被溶解，仅遗留一些不易溶于有机溶剂的蛋白结构［３］。

在显示神经纤维实验研究中，需用特殊的髓鞘染色法显示神经髓鞘。常用的髓鞘染色方法有经典Ｗｅｌｌ染色法、经典碳酸锂苏木精染色法、固绿染色

法、银染法等。经典Ｗｅｌｌ染色法结果对比度差、步骤多、分化难于掌握［４］；经典碳酸锂苏木精染色法的主要缺陷是染色时间长、步骤繁琐、易脱片，温度需控制在５０℃～锇酸价格昂贵，浸透性差，常造成５５℃［５］；染色失败。

丽春红是一种蛋白质电泳染色剂，常用于蛋白印迹实验中样品转膜后的蛋白染色［６］。近年来有文献报道采用丽春红、水溶性猩红等酸性染料显示正常或病理状态下周围神经组织髓鞘的染色方法。而

［７，８］

脊髓束在延髓和脊髓走行相一致。同时我们还发现大鼠的皮质脊髓束神经纤维较细，排列紧密，而其背侧的薄束纤维较粗。丽春红染色正是根据这些神经纤维的解剖学特点将两者区分开来，为解决神经损伤与修复研究中神经纤维的定位问题提供了较好的染色方法。

［参考文献］

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［收稿日期］２００６－０９－１３

我们在应用此染色技术对中枢神经脊髓组织进行染色的基础上，发现应用该技术还能显示和区分大鼠皮质脊髓束在脊髓内的位置。这些酸性染料的染色机理是：神经髓鞘由鞘磷脂所构成，其主要成份是蛋白质和类脂质，在蛋白质的结构中含有羧基和氨基等极性基团和亲水基团，这些基团具有两性游离等电点特性，神经髓鞘在酸性染液中呈碱性，带正电从而荷，能与带负电荷的酸性丽春红２Ｒ染料结合，将神经髓鞘显示出来。这些酸性染料价格低廉，染色步骤和操作简便、实用，染色结果稳定可靠。

本研究发现染成橙红色的皮质脊髓束定位于在延髓锥体、锥体交叉、颈髓、胸髓后索深层，与其背侧的薄束分界清晰，其出现的部位及排列与大鼠皮质（上接第４０４页）

［参考文献］

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［９］ＰａｎｉｎｓｋｉＬ，ＦｅｌｌｏｗｓＭＲ，ＨａｔｓｏｐｏｕｌｏｓＮＧ，ｅｔａｌ．Ｓｐａｔｉｏｔｅｍ－

ｐｏｒａｌｔｕｎｉｎｇｏｆｍｏｔｏｒｃｏｒｔｉｃａｌｎｅｕｒｏｎｓｆｏｒｈａｎｄｐｏｓｉｔｉｏｎａｎｄ５１５．ｖｅｌｏｃｉｔｙ［Ｊ］．Ｎｅｕｒｏｐｈｙｓｉｏｌ，２００４，９１∶

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［收稿日期］２００６－０７－２０