小鼠体内长期植入电极和光纤的定位

2020-09-20 15:58

Bálint Király et al., Nature Communications, 2020

总结

现代实验神经科学最常见的方法之一是在活体实验动物中记录或影响小脑区域或特定皮层区域的活动。例如，电生理学以高时间分辨率在单细胞水平上直接读取神经元放电情况。此外，最近出现的光遗传学技术允许通过光控离子通道的细胞类型特异性表达和光纤的光传递来激活或抑制基因定义的神经元群。两者的结合实现了光遗传学标记，即在清醒活动动物的细胞外记录期间，通过光引导评估神经元身份。最后，光纤光度测量技术正在兴起，需要类似于光遗传学实验的光纤

植入物。

小鼠因其价格相对低廉、繁殖周期短、基因易操作、行为复杂，以及啮齿动物和灵长类动物大脑之间存在一定程度的同源性，成为了一种颇具吸引力的模型。然而，随着该领域实验复杂度的提高，小鼠大脑手术的要求逐渐提高，且更容易出错。这些实验旨在同时针对多个小目标，多次击中同一目标（如病毒注射和光纤植入），或以不寻常的角度植入以避开大血管。错误往往只有在实验结束时通过尸体组织学重建才能发现，这通常会导致数月的实验工作和实验室资源被浪费，尤其是在涉及行为训练的情况下。

为了提高这些实验的效率，作者们受人类深部脑手术和脑部放射治疗技术的启发，开发了一种新的小鼠实验程序。他们使用了高分辨率微CT成像技术，能够根据骨骼标志准确测量四极电极、硅探针和光纤的位置。提高CT图像的分辨率和信噪比（SNR）可能会以增加辐射剂量为代价。然而，CT无法提供软组织对比，因此难以判断植入物是否位于目标区域。因此，作者们进行了结构MRI扫描，以提供出色的软组织对比，并将其与微CT图像相结合，类似于人类手术技术。这种非侵入性体内定位技术能够在手术后直接验证植入是否成功，并通过以下方式提高实验效率：（i）调整记录深度以达到目标，（ii）在定位错误或其他问题的情况下终止手术，以及（iii）通过提供快速反馈来系统地提高手术技能。

nanoScan 3T磁共振成像仪与NanoX-CT扫描仪的检测结果

对于术前扫描，使用NanoX-CT锥形束微型CT成像系统进行CT测量，该系统配备8瓦功率的X射线源。遵循ALARA（尽可能低剂量）原则，为了尽量减少辐射剂量，作者仅使用简单的圆形扫描来扫描动物头部。术前CT成像参数设置为尽量减少辐射剂量：管电压45千伏，放大倍数1.36，曝光时间500毫秒，投影数量180。这些参数是在3分钟采集时间内可调范围内的最小值。

磁共振成像采用nanoScan PET/MRI系统进行，该系统配备1 T的永磁场和450 mT·m−1的梯度系统，接收和发射均使用体积线圈。采用3D梯度回波序列获取快速T1加权图像，使用8激发，重复时间（TR）为15毫秒，回波时间（TE）为2.2毫秒，翻转角为25°，分辨率设置为0.28毫米。

采用nanoScan 3T MRI系统进行场域磁共振成像，该系统配备3T无制冷剂超导磁体和600 mT m−1梯度系统，使用72毫米体积线圈进行发射，20毫米表面线圈进行信号接收。采用3D梯度回波序列，使用三次激发，TR（重复时间）为25毫秒，TE（回波时间）为2.7毫秒，翻转角为30°，分辨率设置为0.2毫米，采集时间为20分钟，从而能够可视化海马结构。

对于术后扫描，CT采集设置为500-1300毫秒的曝光时间、180-360次投影和1.36-2.47倍的放大倍数，管电压设置为45千伏特（kVp）。关于MRI，术后1周使用3T系统进行MRI成像。采用高分辨率T2/T1加权三维平衡稳态自由进动（bSSFP）序列，使用12次激发、重复时间（TR）为5.13毫秒、回波时间（TE）为2.565毫秒、翻转角为40°，分辨率设置为0.12×0.12×0.15毫米。采用高分辨率T2加权二维快速自旋回波序列，使用20次激发、重复时间（TR）为3000毫秒、回波时间（TE）为98.9毫秒，分辨率设置为0.1×0.1×0.6毫米。

图5展示了利用3T MRI成像定位海马植入物的结果：a. 术后CT图像与高信噪比（SNR）T1加权术前MRI图像配准后，除脑室（蓝色箭头）外，还显示了海马（白色虚线框）。黄色箭头表示海马中边缘硅探针的位置。图像从左至右分别为最大强度投影、矢状面切片、水平面切片和冠状面切片。黄色数字表示相对于前囟的相应立体定位坐标（单位：毫米）。b. 使用CT-MRI融合技术，将三维图谱与术后CT图像配准，特别注意海马结构的对齐。c. 左图为海马中探针的局部轨迹。右图为32个接触位点的分层重建（Or：嗅球层，Py：锥体细胞层，Rad：放射层，LMol：腔隙分子层，Mol：分子层，GrDG：颗粒细胞层，PoDG：多形细胞层，DG：齿状回）。CT和MRI图像分别以灰度和金度显示。

图6展示了非金属植入物术后MRI成像的定位情况：a 术后T2/T1加权MRI图像显示了双侧植入的光纤轨迹（洋红色箭头，50微米芯径，右半球；白色箭头，105微米芯径，左半球）。解剖标志清晰可辨，包括脑室（蓝色箭头）、胼胝体（黄色箭头）和海马裂（红色箭头）。图像从左至右分别为最大强度投影、矢状面切片、水平面切片和冠状面切片。黄色数字表示相对于前囟的相应立体坐标（单位：毫米）。b 活体术后MRI图像（右）与组织学图像（左，暗场图像叠加核DAPI染色的荧光显微照片）的逐层对比。Paxinos图谱的相应冠状面与白色虚线框标记的切片相匹配。比例尺，1毫米。c 从两只动物的厚（600微米）冠状面切片中获取了高信噪比（SNR）的术后T2加权MRI图像。数字表示植入物尖端相对于海马裂的深度（单位：毫米）。MRI图像以金色比例尺显示。