目的


通过微电极在体内记录的人类神经元活动，或许能为理解人类认知的生理机制以及脑部疾病（尤其是癫痫）的病理生理机制提供有价值的见解。为了监测像癫痫发作或睡眠这类不可预测的病理和生理活动，持续且长期的记录是必要的。由于微电极具有高阻抗，与宏观电极相比，它们对噪声更为敏感。低噪声水平对于从背景噪声中检测动作电位以及进一步分离单个神经元活动至关重要。因此，多单元活动的长期记录仍然是一项挑战。我们在此分享了我们在微电极记录方面的经验，以及为降低噪声水平以提高信号质量所做出的努力。我们还提供了关于微电极记录的连接、记录、成像和信号分析的详细技术指南。


结果


在过去的10年里，我们为56名耐药性局灶性癫痫患者植入了122束混合宏观-微电极。微电极束被植入颞叶（占74%），以及额叶（15%）、顶叶（6%）和枕叶（5%）。低噪声水平取决于我们的技术设置。主要是在对患者记录室进行电绝缘处理以及使用增强型微电极模型后实现了降噪，均方根值中位数达到5.8微伏。70%的电极束能够记录多单元活动（MUA），平均每束8根导线中约有3根能记录，且平均记录时长为12天。在持续记录的情况下，91%的患者的癫痫发作可被微电极记录到，并且在对记录室进行绝缘处理后，75%的患者在癫痫发作期间能够记录到多单元活动。我们提出了以下方面的技术指南：（i）在手术包扎以及连接临床和研究放大器时对电极尾部的操作和保护；（ii）对患者记录室进行电绝缘和屏蔽；（iii）数据采集和存储；（iv）单单元活动分析。


结论


我们逐步改进了记录设置，现在能够：（i）记录低噪声水平的微电极信号，时长可达3周；（ii）从更多数量的导线中记录多单元活动。我们构建了从电极轨迹规划到记录的分步流程。所有这些精细的步骤对于单元的持续长期记录至关重要，以便我们进一步理解癫痫发作的病理生理学以及认知和生理功能的神经元编码。


一、引言


癫痫手术前的颅内脑电图（iEEG）研究为长时间在体内研究人类神经元集合的功能提供了难得的机会。当无创脑电图（EEG）和神经影像学不足以定位耐药患者的致痫灶时，脑内电极的手术植入可以描绘出被称为癫痫发作起始区（SOZ）的致痫灶。


可以通过手术植入不同类型的电极，可以单独植入或组合植入：硬膜下条状电极、栅格电极或用于立体脑电图（sEEG）的深度电极。所有这些电极都包含几个宏观接触点，彼此间隔几毫米到几厘米。每个宏观接触点的大小为几毫米，并测量来自大量神经元群体的神经元活动。


微电极在绝缘导线的尖端具有较小的接触面积，直径约为40微米。与宏观接触点相比，微导线具有两个主要优点：空间分辨率提高，能够从微小的神经元集合中以亚毫米尺度记录局部场电位（LFP）；并且能够记录采样神经元的动作电位，即多单元活动（MUA），在进行尖峰分类后可以从中分离出单单元活动（SUA）。


1971年，科学家首次在人类内侧颞叶癫痫发作期间和发作间隙对单元进行了急性记录。宏观电极经过改进，以便插入一束柔性微导线。随后，在人类颅内脑电图（iEEG）记录期间，微电极被植入致痫灶，并且开发出了不同类型的微电极。混合深度电极在宏观接触点之间设有微观接触点。在某种型号的宏观-微电极模型中，微导线穿过宏观电极轴插入，突出到深度宏观电极尖端之外的脑组织中。在另一种混合宏观-微电极模型中，微导线从宏观电极轴的宏观接触点之间穿出，并且采用四电极而非单导线配置。犹他阵列是一种4毫米×4毫米的二维阵列，包含96个微电极，可以植入到皮质表面。最后，最近还提出了高密度聚（3,4-乙撑二氧噻吩）聚苯乙烯磺酸盐（PEDOT:PSS）微电极，用于在手术期间在手术室中进行急性记录。


微电极被植入癫痫患者体内用于研究目的，对记录的局部场电位（LFP）、多单元活动（MUA）或单单元活动（SUA）进行分析，为理解神经元编码、潜在的生理过程以及认知提供了有价值的见解。通过在无癫痫活动的脑区进行单次试验研究，记录能够以时间精度测试诸如工作记忆和情景记忆等认知过程。例如，使用某种电极在人类内侧颞叶、杏仁核和海马体中获得了重要发现，其中分离单单元活动对于描述单个神经元的行为至关重要。科学家的团队描述了特定类别的单单元活动，例如人类内侧颞叶中的意象神经元以及人类海马体中的位置细胞。一些内侧颞叶单单元活动可以被特定物体、地标或人物的不同选择性激活，例如“詹妮弗・安妮斯顿神经元”。术前植入期间的长期记录（长达3周）为认知任务留出了专门的时间段，这些任务可以在数天和数周内重复进行。这对于研究记忆编码和检索具有明显的价值。


微电极记录也是研究癫痫病理生理学（尤其是癫痫发作的起始机制，即大脑如何引发癫痫发作）的主要工具。脑电图（EEG）上的癫痫发作是癫痫的主要电生理标志。识别发作期放电中最早和最快的成分是确定癫痫发作起始区（SOZ）的关键步骤。植入癫痫发作起始区（SOZ）的微电极可以在癫痫发作开始和发展过程中捕获单单元活动，并有助于描述癫痫发作起始区的网络。此外，根据通过尖峰分类分离出的神经元的波形和放电特性，有可能区分假定的锥体细胞和中间神经元，并描述它们各自在癫痫发作产生中的作用。微电极还被用于描述癫痫发作间期事件（如癫痫棘波）期间的单单元行为，并显示出不同的放电模式。微电极还可以检测到相邻宏观电极无法检测到的其他癫痫标志物，例如高频振荡（HFOs），特别是在快波纹频段（250-500赫兹）。高频振荡最初是从微电极记录中识别出来的，据推测它们是由大约1立方毫米的微小神经元集合产生的。微电极还揭示了微癫痫发作作为离散的节律性活动，由于微电极在采样更小的神经元集合的局部场电位方面具有更好的分辨率，因此宏观电极无法检测到这些微癫痫发作。


在微电极信号上检测单元需要较高的信噪比（SNR），这不仅取决于信号中的噪声水平，还取决于电极与神经元胞体之间的距离。噪声水平越高，就越难以检测到幅度较低的动作电位。由于动作电位波形的改变，高噪声水平也会影响用于将检测到的动作电位分配到不同神经元的尖峰分类算法的准确性。对于所有电生理记录而言，来自周围环境的电磁噪声以及运动伪影是信号的主要噪声源。因此，由于无法移动某种电极的微导线使其靠近神经元的胞体，降低这些噪声源至关重要，特别是因为微导线的直径非常小，这使得它们非常脆弱且对噪声敏感。


此外，癫痫事件，尤其是癫痫发作，具有不可预测的发作时间，需要持续且长期的电生理监测才能记录下来。只有在整个监测期间进行稳定的高质量微电极记录，才有可能在这些事件期间研究局部场电位（LFP）和单元活动。长期微电极记录对于细胞水平的生理和认知研究也至关重要。然而，使用微电极进行持续且长期的记录在技术上极具挑战性。得益于法国巴黎皮提耶-萨尔佩特里埃医院的几个临床团队与位于医院内的一个研究中心之间的紧密合作，我们于2010年开始使用某种微电极对癫痫患者进行记录。


本文的目的是分享我们在过去10年中进行持续长期微电极记录的经验，并提供与已发表的方法学论文互补的建议。手术期间的电极操作是避免因导线损坏而产生噪声的关键步骤，并且已在多篇论文中有所描述。根据技术设置对噪声水平进行详细量化对于采用最佳方法也很重要，但据我们所知，尚未对此进行量化和详细描述。我们描述了我们所面临的技术问题，以及为降低信号噪声水平所做的各种改进，这对于增加记录多单元活动（MUA）和单单元活动（SUA）的可能性至关重要。我们首先在“方法”部分描述了我们当前的记录方法。随着时间推移我们的数据质量的改进情况在“结果”部分进行了报告，其中包括详细的噪声水平测量以及根据不同材料设置对多单元记录的量化。此外，我们总结了从手术到记录的主要技术指南，我们认为这些指南对于提高微电极记录的质量至关重要。