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技术与服务

脑立体定位注射技术

简介
     脑立体定位技术被广泛运用于对特定核团或脑区的操控(激活或抑制)、给药、病毒标记和信号采集等实验中,成为研究脑的结构和功能必不可少的实验手段。该技术以脑立体定位仪为主要定位仪器,结合动物颅骨外表面固定标志(如小鼠的前囟、后囟等位点)以及标准脑图谱,来确认目标核团或脑区的坐标;再通过手术方式将外界的干预手段施于目标位置,在非直视暴露下对其进行精确定点操控、损毁、给药、病毒标记和信息采集等。
图1. 脑立体定位注射仪及工作场景

病毒注射
     在脑功能和结构的研究中,常需要利用病毒工具将外源基因(荧光蛋白基因,离子通道蛋白基因等)整合到目标脑区细胞的DNA上,借此标记目标细胞。常用的病毒包括腺相关病毒、慢病毒、狂犬病毒、单纯疱疹病毒和水泡性口炎病毒等。
     根据客户需要,我司负责将具体的病毒按提前制定的标准准确注入目标脑区。并设有P2实验室,可以提供级别更高的病毒(如狂犬病毒等)注射环境。
图2. 定位注射

光纤植入
     光遗传学(Optogenetics)是指结合光学与遗传学手段,精确控制特定神经元活动的技术。该技术利用分子生物学、病毒生物学等手段,将外源光敏感蛋白基因导入活细胞中,在细胞膜结构上表达了光敏感通道蛋白;然后通过特定波长光的照射,控制细胞膜上的光敏感通道蛋白的激活与关闭;光敏感蛋白的激活和关闭可控制细胞膜上离子通道的打开与关闭,进而改变细胞膜电压的变化,如膜的去极化与超极化。当膜电压去极化超过一定阈值时就会诱发神经元产生可传导的电信号,即神经元的激活;相反,当膜电压超极化到一定水平时,就会抑制神经元动作电位的产生,即神经元的抑制。
     我司可根据客户需求将光纤埋置入指定区域,用于后续的激活或抑制实验。

     光遗传学技术主要包括病毒包装、病毒注射、光纤埋植、光调控、行为测试和电生理记录6个步骤。

我司也可提供完整的技术服务


图3. 光遗传实验中的小鼠

光纤钙记录
     钙成像技术是指利用钙离子指示剂(Calcium Indicator,CI)监测组织细胞内钙离子浓度的方法。神经钙成像技术的原理就是借助钙离子浓度与神经元活动之间的严格对应关系,利用特殊的荧光染料或者蛋白质荧光探针即钙离子指示剂,将神经元中的钙离子浓度通过荧光强度表现出来,从而达到监测神经元活动的目的。目前常用的钙成像技术包括光纤钙记录和双光子钙成像
     光纤钙记录的实施方法:1、选择合适的钙离子指示剂;2、将钙离子指示剂转运至目标部位(化学荧光指示剂通常采用电极刺穿或借助乙酰氧基甲酯和右旋葡萄糖的方式进入到目标部位,而基因编码指示剂则主要借助于病毒感染的方式导入至目标部位);3、光纤埋植以收集信号,记录结果。光纤记录无细胞分辨率,记录不同脑区的群体神经元活动(仅限光纤探针尖端附近);而双光子钙成像需要使用颅窗手术见后文。
图4. 光纤钙记录模式图

颅骨表面脑电电极埋置
     脑电图(Electroencephalogram,EEG)的获取是通过精密的电子仪器,从头皮上将脑部的自发性生物电位加以放大记录而获得。通过电极记录下来的脑细胞群的自发性、节律性电活动有常规脑电图、动态脑电图监测、视频脑电图监测。现已被认为是研究睡眠作用的重要组成部分。
图5. 脑电EEG电极埋置场景

深部脑区电极埋置
     动物在体电生理记录主要用于实时在线记录大脑神经元放电情况来量化及描述神经环路的工作状况。
     局部场电位(Local Field Potential,LFP)记录的信号代表在记录电极周围少量神经组织中胞外低频电生理信号的总和,概括地反映记录电极附近局部空间内神经元集群突触活动所造成的电场变化。局部场电位记录到的数据反映的是一段时间内所记录核团内所有神经元电学活动的总体情况。我司可根据客户需要提供电极埋置服务,以及后续实验数据的记录等。
图6. 多通道电极埋置

颅窗植入
     脑科学研究中利用双光子显微镜和基因编码的钙探针(如GCaMP)实现活体钙成像的方式已经被广泛应用。这种研究活体生物神经元功能的方式需要在目标脑区植入颅窗。颅窗植入法即将小鼠颅骨去除后,使用透明玻璃取代颅骨,该方法可以维持大脑正常的生理状态。一方面,可减少激发光透过颅骨的光损失,增加了皮层的成像深度;另一方面,颅窗可以重复长时间使用,对于研究长时间周期的神经元群体或单神经元活动具有很好的效果。
     需要注意的是双光子成像时动物必须头部固定或者动物处于麻醉状态,可记录单个神经元,更可观察到皮层神经元亚细胞结构轴突末端的钙信号
图7. 从左至右为颅窗植入手术流程

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