平面微电极阵列技术实验教学实践与探索

平面微电极阵列技术实验教学课程注重培养学生动手技能的同时,开拓思维,将理论知识转化为科研能力。学生通过对大型仪器基本操作的学习与实践,从而掌握实验技术,为从事相关科研工作打下坚实的基础。文章介绍了课程内容,分享教学经验并针对实验中的问题提出解决方案,探讨性地提出改进设想,为进一步开展电生理实验提供了有益的借鉴。

平面微电极阵列MED64系统的开放使用与维护

该文以首都医科大学医学实验与测试中心MED64系统的开放使用与维护为例,介绍了该系统的原理、基本结构和一般使用流程,重点论述了其开放使用的特点和对管理者的要求,以及日常维护的注意事项。对该设备开放共享模式进行总结和探索,以期更好的为教学科研服务。

大鼠初级躯体感觉皮层后肢代表区的神经回路和时间可塑性:平面微电极阵列记录技术的应用(英文)

目的运用平面微电极阵列记录技术探讨大鼠初级躯体感觉皮层(primary somatosensory cortex,S1 area)后肢代表区的神经回路和时间可塑性。方法将急性分离的大鼠脑片置于MED-64系统的电极平皿中,持续灌流通入95%O2和5%CO2混合气的人工脑脊液,随后进行多电极同时同步记录。利用双线性内插法计算出64个点的电流源与电流井,并将其转换为二维电流源密度分布图。结果刺激S1后肢代表区脑片的II-III层,可鉴定出局部皮层内的连接回路,而刺激IV层(丘脑传入的主要终末端)则鉴定出丘脑皮层间的连接回路。首先,丘脑皮层投射的激活可以诱发更多的有效场电位,并且与S1区更多的神经元建立突触联系。与之相比,皮层内回路的激活引起的电反应活动范围则较小。其次,刺激IV层在每一刺激强度下诱发的场电位幅度远远大于刺激II-III的场电位幅度,即S1区更容易被丘脑皮层连接回路的投射纤维所激活。最后,在S1区IV层给予强直刺激可以记录到长达两个小时的局部场电位幅度的增加,长时程增强(long-term potentiation,LTP)的诱出率约为83.3%(5/6例)。相反,在II-III层,同样的强直刺激并未能明显诱导LTP的发生。结论大鼠S1区的后肢代表区似乎存在两种不同类型的神经回路,一种是由层间联系介导的皮层内回路,另一种则是由丘脑皮层传入介导的丘脑皮层连接回路。皮层内回路在空间上联系较局限且可塑性不强,而丘脑皮层回路的空间连接范围则相对较广,对躯体感觉信息的传入也显示出很强的可塑性。本结果为进一步在体外神经网络水平研究S1区的神经回路特性提供了很好的实验模型。

5-HT2C受体亚型参与易化大鼠内嗅区-海马通路的突触传递:平面微电极阵列记录技术研究

本实验旨在运用64通道(8 × 8)平面微电极阵列记录技术(MED-64系统)探讨5-HT2C受体在调节内嗅区-海马突触传递和突触联系中的作用。将急性分离的大鼠海马脑片置于MED-64系统的电极平皿中,持续灌流通入95% O2和5% CO2混合气的人工脑脊液,孵育2 h后进行多电极阵列同步记录。选一个电极进行电刺激(刺激强度30～199 μA,正负双波脉冲,单波宽0.1 ms,频率0.1 Hz),其余63个电极作为记录电极。最佳有效刺激部位恰好位于前穿质通路(perforant path, PP)上,电刺激结果可以分别在海马CA1区和齿状回(dentate gyrus, DG)记录到兴奋性突触后场电位(field excitatory post-synaptic potential,fEPSP)。我们以往研究结果已显示内嗅区-CA1和内嗅区-DG直接突触联系是由谷氨酸非NMDA受体所介导的兴奋通路。在稳定地诱导出网络fEPSP后,分别给予5-HT2C受体激动剂DOI和选择性拮抗剂SB242084,观察与计算fEPSP的反应幅值与斜率变化。同时利用双线性内插法计算出64个点的电流源(current source)与电流井(current sink),并将其转换为二维电流源密度(two-dimensional current source density, 2D-CSD)分布图。结果显示,结合fEPSP波的极相与2D-CSD成像,可见电刺激PP纤维在CA1区(腔隙分子层、锥体细胞层)和上部DG的分子层均发生突触兴奋引起的去极化,fEPSP为负向波,在空间上形成2D-CSD成像的电流井(蓝色区域)。同时,可在DG的颗粒细胞层和门部检测出正向波,形成2D-CSD成像的电流源(黄色区域),这反映了颗粒细胞在树突部位发生去极化后很快沿门向CA3传播电信号。在此基础上,给予5-HT2C受体激动剂DOI后,海马内有效突触联系(>基线20%的fEPSP)的空间网络范围显著扩大,突触传递效能显著增强。而相对应的是,给予5-HT2C受体的选择性拮抗剂SB242084,则海马内有效突触联系空间网络范围显著缩小,突触反应强度减弱。以上结果提示,内源性5-HT作用于5-HT2C受体可易化内嗅区-海马突触传递效能,扩大有效突触联系,引起突触反应的兴奋作用。

长串与短串θ节律刺激在大鼠前扣带回皮质脑片诱导长时程增强效应的不同作用:平面微电极阵列记录技术(英文)

目的大量研究显示前扣带回(anterior cingulate cortex,ACC)是一个多功能的边缘系统结构,参与诸如知觉,运动,情绪和认知等多种高级脑功能。有证据显示长时程增强现象(long-term potentiation,LTP)是研究ACC内发生神经元突触可塑性变化的重要模型。然而,迄今为止,关于ACC神经网络的时空特性仍少为人知。本研究旨在应用平面微电极阵列记录技术观察不同长度θ节律串刺激对诱发大鼠ACC区域不同层结构的LTP的影响。方法采用平面微电极阵列记录技术,在急性分离的大鼠ACC脑片上进行记录。通过实验电刺激V-VI层,记录ACC各层场电位。然后应用两种θ节律串刺激(theta burst stimulation,TBS)作为条件刺激诱发ACC脑区LTP,并比较不同层的LTP诱出效果。两种刺激模式参数为:TBS1,100Hz,4个双向方波脉冲为一串,重复10次,间隔200ms;TBS2,100Hz,4个双向方波脉冲为一串,重复5次,间隔200ms。实验刺激前扣带回深层可以分别在I层,Ⅱ-Ⅲ层及V-VI层同时诱出三种波形不同的场电位:I层为正向波,V-VI层为负向波,Ⅱ-Ⅲ层以复杂的波形为主。结果在实验刺激位点给予两种不同的条件刺激后,长串TBS1条件刺激的LTP诱出率显著地高于短串TBS2条件刺激,即TBS1的LTP诱出率超过60%,而TBS2的LTP诱出率少于25%。此外,层间分析结果显示LTP主要发生在Ⅱ-Ⅲ层及V-VI层,I层不能诱出LTP。进一步分析表明,无论是LTP诱出率还是幅度在Ⅱ-Ⅲ层及V-VI层之间均无显著差别。结论本实验结果提示同一刺激模式但重复刺激时间长短不同也可能导致LTP诱出率不同,这可能是为什么以往报导关于前扣带回LTP诱出率结果不同的一个关键原因之一,因此在设计此类实验时选择最佳刺激参数更为重要。另外,本实验证明平面微电极阵列记录技术在研究前扣带回皮质突触可塑性的网络特征,尤其是比较不同层结构中的时空特性具有单电极无法比拟的优势。

MED64平面微电极阵列技术记录小鼠海马脑片自发放电

目的:验证MED64系统记录小鼠海马脑片自发放电方法可行性,以及观察平面微电极阵列技术应用于抑郁,帕金森,癫痫等研究的优势。方法:通过MED64系统对正常以及由低镁高钾加4-AP诱导的小鼠海马脑片进行记录,运用Mobius 软件进行数据分析。结果:正常ACSF灌注记录到成年小鼠海马脑片神经元自发放电改用4-AP+低镁高钾ACSF灌注8min左右后小鼠海马脑片呈现癫痫样放电。换回正常ACSF洗脱30min后脑片放电恢复正常,癫痫样放电逐渐消失。结论:MED64平面微电极阵列技术可以记录小鼠海马脑片神经元自发放电,运用该技术成功建立了小鼠海马脑片癫痫模型。

基于微电极陈列的嗅觉神经芯片及其测试系统的研制

目的研究基于Multi-Electrode Array(MEA)构建嗅觉神经芯片及其测试系统的方法,并验证系统获取神经电生理和其他电生理信号的有效性。方法首先通过自行研制的72通道神经电信号调理电路和同步采集系统获取MEA芯片上大鼠全心离体心电信号和海马神经网络自发放电生理信号;然后通过此采集系统获取平面MEA芯片上培养新生大鼠嗅球神经细胞而制作成嗅球神经网络细胞芯片的电生理信号,并通过光镜观察嗅球网络生长形态。结果基于MEA传感与检测系统有效地获取了不同培养阶段嗅球神经网络形态所对应的电生理信号,能够用来分析神经网络电生理信号的复杂性和时间编码。结论本文构建的检测平台能够广泛用于神经电生理和神经生物学的研究。

老年小鼠海马离体脑片长时程增强方法的建立

老年小鼠离体电生理技术的一个难点是保证实验动物脑片神经元的活性。该研究参考国内外相关文献并进行优化,摸索出能制备高质量活性的老年小鼠急性脑片的实验体系。在搭配无创的64通道平面微电极阵列记录系统的基础上,建立了一套适合记录老年小鼠离体海马脑片长时程增强的方法和平台,为老年学习记忆能力的研究提供了一个强有力的实验工具。该方法操作简便、成功率高,制备的急性脑片也适用于膜片钳记录的研究。

AMPA受体参与的出生后大鼠海马发育早期的电生理学特点

本研究旨在探讨α-氨基-3-羟基-5-甲基-4-异恶唑丙酸(AMPA)受体参与的出生后大鼠海马发育早期的电生理学特点。选择出生后0.5月龄、1月龄、2月龄和3月龄Wistar大鼠共计48只(每组各12只)。应用全细胞膜片钳技术及MED64平面微电极阵列技术检测海马CA1区锥体神经元的被动膜特性及AMPA受体参与的自发兴奋性突触后电流(spontaneous exctitatory postsynaptic current,sEPSC)和场兴奋性突触后电位(field excitatory postsynaptic potential,fEPSP)。结果显示,海马CA1区锥体神经元在出生后0.5～3月龄期间,在被动膜特性方面表现为:膜电容与静息膜电位无显著性变化;膜输入电阻与时间常数均显著下降。在主动膜特性方面,呈现出阶段性变化:0.5～1月龄期间,s EPSC的反应表现为:振幅显著升高,频率明显增大,上升时间及下降时间显著增加;1～3月龄期间,sEPSC的反应特性与0.5～1月龄期间相反。此外,0.5～3月龄期间,海马CA1区诱发出的f EPSP范围明显扩大,而幅值显著减小;各月龄海马CA1区诱发出的fEPSP幅值均可被AMPA受体竞争性拮抗剂6-氰基-7-硝基喹喔啉-2,3-二酮(CNQX)明显降低。以上结果提示,在出生后大鼠海马发育早期过程中,AMPA受体作为调节突触传递和突触联系的主要兴奋性受体,可以促进海马的发育及功能成熟。