神经电极在慢性植入过程中对小鼠神经功能连接的层依赖性影响

引言

该研究探讨了慢性植入微观电极对小鼠C57BL6野生型小鼠脑内神经功能连接的长期影响。植入脑内的电极能够进行神经信号的记录和电刺激，在脑机接口（Brain-Computer Interface, 简称BCI）系统中有着广泛的应用，如恢复运动控制和感官感知。然而，随着时间的推移，植入电极记录到的信号会逐渐衰退，该退化被认为是“异物反应”（Foreign-Body Response, FBR）造成的。然而，FBR如何具体影响植入周围区域的神经回路功能及其稳定性尚不明确。本研究旨在揭示长期FBR如何改变局部神经回路功能，深入理解其对BCI解码装置的影响。

研究背景与目的

植入神经电极虽然有潜在的应用价值，然而其在记录灵敏度和稳定性上仍存在问题。既往研究表明，植入电极会引发急性局部炎症，破坏血脑屏障，导致血细胞和血浆蛋白的浸润。这些变化进而激活胶质细胞和星形胶质细胞，形成包裹性的胶质瘢痕，降低信噪比，影响信号检测。此外，氧化应激、促炎细胞因子和谷氨酸的增加会影响神经元的存活和突触完整性，导致邻近神经元静默或退化，减少神经信号检测能力。髓鞘和少突胶质细胞在行使动作电位传播及支持轴突功能方面的损伤也会进一步限制电极的信号检测能力。

研究方法和实验流程

研究使用了单根16通道、100 µm间距的密歇根型微电极，通过所有皮层层及海马CA1区域进行记录，研究对象为性别均衡的11-13周龄的C57BL6野生型小鼠。研究主要采用的实验方法包括以下几个方面：

1. 电极的植入手术

研究对象总共包括8只小鼠（公母各4只）。负责任的电极植入过程包括使用氯胺酮和二氮嗪麻醉小鼠，并将其固定在立体定位仪上，去除植入部位的皮肤和结缔组织。将微电极垂直插入左侧初级视觉皮层，并进行后续的电化学阻抗光谱测量，以确保所植入电极的功能正常。

2. 电生理记录

电生理记录在小鼠清醒且头部固定的情况下进行，分别记录自发活动和视觉刺激活动。研究采用视觉刺激范式包括黑白条纹的漂移梯度，以研究神经活动对视觉刺激的反应。

3. 数据分析

包含电极深度对齐、单一单位分类及跨频率同步化分析。近期源密度（Current Source Density, CSD）图用于识别沿植入电极的层深。单单位波形波形按峰谷时延分类，分为可能的兴奋性和抑制性神经元。跨频率耦合（Phase-Amplitude Coupling, PAC）用于定量描述神经网络的功能连接性。

4. 单位分类及连接分析

记录中单元分类被用来评估可能的兴奋性和抑制性神经元的活动变化，通过频率同步化分析评估局部网络活性。结果显示不同时期LFP相位-幅度偶联的调制指数（modulation index, MI）显示出显著的变化。

研究结果与讨论

1. 层特异性的神经元活性特点

通过对不同深度的放电活动分析，在慢性植入电极进行期间，L4的兴奋性连接保持稳定，而L2/3则快速失去功能，导致下游输出层（L5/6）的适当层间连接丧失。L2/3、L5/6在慢性植入电极进行期间展示出明显的层依赖性功能连接性改变。L2/3层显示激发性和抑制性神经元的放电活动逐渐下降，特别是从L2/3到L5/6的单向连接逐渐减弱，而L5/6层本身在视觉刺激下的连接增强。

2. 层间连接功能的方向依赖性

研究进一步揭示了慢性植入电极影响的跨层功能连接。L4作为信息接收层，在过程中仍能保持稳定的兴奋性网络，但L2/3层则经历了早期的连接功能失调。PAC分析显示在视觉刺激下L4层的慢频率相位与L2/3层的高频振幅之间保持一致的耦合，但这种连接在植入早期受到影响，后来随着时间的进展逐渐恢复。

3. 海马CA1区域的网络活动中断

与皮层相比，海马CA1区域在视觉刺激下显示出较弱的反应。尽管局部场电位（LFP）分析显示CA1的节奏振荡与皮层类似，但LFP与局部神经元的同步失调，这表明慢性植入在海马区域内导致长期功能连接失调，影响神经元的反应能力。

4. 研究意义与应用

此研究首次揭示了慢性微电极植入过程中不同皮层层之间和海马CA1区内的功能连接性变化，为理解植入电极导致的脑部区域性神经网络丧失及其机理提供了重要信息。本研究的发现对开发新的再生策略和更持久稳定的BCI解码装置具有重要意义。

结论和展望

该研究系统地描述了慢性植入微电极对小鼠脑内神经功能连接的影响，特别是在视觉皮层和海马区的层依赖性功能连接障碍。本研究不仅为理解植入微电极造成的长期神经网络退化提供了新见解，还为开发改善脑部植入物周围组织健康的干预方案提供了可能，期待未来在该领域的进一步探索和技术发展。

关键词

脑机接口(Brain-Computer Interface), 脑回路, 局部场电位同步化(LFP Synchronization), 视觉皮层, 神经炎症(Neuroinflammation)