目的

通過微電極在體內(nèi)記錄的人類神經(jīng)元活動(dòng)，或許能為理解人類認(rèn)知的生理機(jī)制以及腦部疾病（尤其是癲癇）的病理生理機(jī)制提供有價(jià)值的見解。為了監(jiān)測像癲癇發(fā)作或睡眠這類不可預(yù)測的病理和生理活動(dòng)，持續(xù)且長期的記錄是必要的。由于微電極具有高阻抗，與宏觀電極相比，它們對(duì)噪聲更為敏感。低噪聲水平對(duì)于從背景噪聲中檢測動(dòng)作電位以及進(jìn)一步分離單個(gè)神經(jīng)元活動(dòng)至關(guān)重要。因此，多單元活動(dòng)的長期記錄仍然是一項(xiàng)挑戰(zhàn)。我們在此分享了我們在微電極記錄方面的經(jīng)驗(yàn)，以及為降低噪聲水平以提高信號(hào)質(zhì)量所做出的努力。我們還提供了關(guān)于微電極記錄的連接、記錄、成像和信號(hào)分析的詳細(xì)技術(shù)指南。

結(jié)果

在過去的10年里，我們?yōu)?6名耐藥性局灶性癲癇患者植入了122束混合宏觀-微電極。微電極束被植入顳葉（占74%），以及額葉（15%）、頂葉（6%）和枕葉（5%）。低噪聲水平取決于我們的技術(shù)設(shè)置。主要是在對(duì)患者記錄室進(jìn)行電絕緣處理以及使用增強(qiáng)型微電極模型后實(shí)現(xiàn)了降噪，均方根值中位數(shù)達(dá)到5.8微伏。70%的電極束能夠記錄多單元活動(dòng)（MUA），平均每束8根導(dǎo)線中約有3根能記錄，且平均記錄時(shí)長為12天。在持續(xù)記錄的情況下，91%的患者的癲癇發(fā)作可被微電極記錄到，并且在對(duì)記錄室進(jìn)行絕緣處理后，75%的患者在癲癇發(fā)作期間能夠記錄到多單元活動(dòng)。我們提出了以下方面的技術(shù)指南：（i）在手術(shù)包扎以及連接臨床和研究放大器時(shí)對(duì)電極尾部的操作和保護(hù)；（ii）對(duì)患者記錄室進(jìn)行電絕緣和屏蔽；（iii）數(shù)據(jù)采集和存儲(chǔ)；（iv）單單元活動(dòng)分析。

結(jié)論

我們逐步改進(jìn)了記錄設(shè)置，現(xiàn)在能夠：（i）記錄低噪聲水平的微電極信號(hào)，時(shí)長可達(dá)3周；（ii）從更多數(shù)量的導(dǎo)線中記錄多單元活動(dòng)。我們構(gòu)建了從電極軌跡規(guī)劃到記錄的分步流程。所有這些精細(xì)的步驟對(duì)于單元的持續(xù)長期記錄至關(guān)重要，以便我們進(jìn)一步理解癲癇發(fā)作的病理生理學(xué)以及認(rèn)知和生理功能的神經(jīng)元編碼。

一、引言

癲癇手術(shù)前的顱內(nèi)腦電圖（iEEG）研究為長時(shí)間在體內(nèi)研究人類神經(jīng)元集合的功能提供了難得的機(jī)會(huì)。當(dāng)無創(chuàng)腦電圖（EEG）和神經(jīng)影像學(xué)不足以定位耐藥患者的致癇灶時(shí)，腦內(nèi)電極的手術(shù)植入可以描繪出被稱為癲癇發(fā)作起始區(qū)（SOZ）的致癇灶。

可以通過手術(shù)植入不同類型的電極，可以單獨(dú)植入或組合植入：硬膜下條狀電極、柵格電極或用于立體腦電圖（sEEG）的深度電極。所有這些電極都包含幾個(gè)宏觀接觸點(diǎn)，彼此間隔幾毫米到幾厘米。每個(gè)宏觀接觸點(diǎn)的大小為幾毫米，并測量來自大量神經(jīng)元群體的神經(jīng)元活動(dòng)。

微電極在絕緣導(dǎo)線的尖端具有較小的接觸面積，直徑約為40微米。與宏觀接觸點(diǎn)相比，微導(dǎo)線具有兩個(gè)主要優(yōu)點(diǎn)：空間分辨率提高，能夠從微小的神經(jīng)元集合中以亞毫米尺度記錄局部場電位（LFP）；并且能夠記錄采樣神經(jīng)元的動(dòng)作電位，即多單元活動(dòng)（MUA），在進(jìn)行尖峰分類后可以從中分離出單單元活動(dòng)（SUA）。

1971年，科學(xué)家首次在人類內(nèi)側(cè)顳葉癲癇發(fā)作期間和發(fā)作間隙對(duì)單元進(jìn)行了急性記錄。宏觀電極經(jīng)過改進(jìn)，以便插入一束柔性微導(dǎo)線。隨后，在人類顱內(nèi)腦電圖（iEEG）記錄期間，微電極被植入致癇灶，并且開發(fā)出了不同類型的微電極。混合深度電極在宏觀接觸點(diǎn)之間設(shè)有微觀接觸點(diǎn)。在某種型號(hào)的宏觀-微電極模型中，微導(dǎo)線穿過宏觀電極軸插入，突出到深度宏觀電極尖端之外的腦組織中。在另一種混合宏觀-微電極模型中，微導(dǎo)線從宏觀電極軸的宏觀接觸點(diǎn)之間穿出，并且采用四電極而非單導(dǎo)線配置。猶他陣列是一種4毫米×4毫米的二維陣列，包含96個(gè)微電極，可以植入到皮質(zhì)表面。最后，最近還提出了高密度聚（3,4-乙撐二氧噻吩）聚苯乙烯磺酸鹽（PEDOT:PSS）微電極，用于在手術(shù)期間在手術(shù)室中進(jìn)行急性記錄。

微電極被植入癲癇患者體內(nèi)用于研究目的，對(duì)記錄的局部場電位（LFP）、多單元活動(dòng)（MUA）或單單元活動(dòng)（SUA）進(jìn)行分析，為理解神經(jīng)元編碼、潛在的生理過程以及認(rèn)知提供了有價(jià)值的見解。通過在無癲癇活動(dòng)的腦區(qū)進(jìn)行單次試驗(yàn)研究，記錄能夠以時(shí)間精度測試諸如工作記憶和情景記憶等認(rèn)知過程。例如，使用某種電極在人類內(nèi)側(cè)顳葉、杏仁核和海馬體中獲得了重要發(fā)現(xiàn)，其中分離單單元活動(dòng)對(duì)于描述單個(gè)神經(jīng)元的行為至關(guān)重要?？茖W(xué)家的團(tuán)隊(duì)描述了特定類別的單單元活動(dòng)，例如人類內(nèi)側(cè)顳葉中的意象神經(jīng)元以及人類海馬體中的位置細(xì)胞。一些內(nèi)側(cè)顳葉單單元活動(dòng)可以被特定物體、地標(biāo)或人物的不同選擇性激活，例如“詹妮弗?安妮斯頓神經(jīng)元”。術(shù)前植入期間的長期記錄（長達(dá)3周）為認(rèn)知任務(wù)留出了專門的時(shí)間段，這些任務(wù)可以在數(shù)天和數(shù)周內(nèi)重復(fù)進(jìn)行。這對(duì)于研究記憶編碼和檢索具有明顯的價(jià)值。

微電極記錄也是研究癲癇病理生理學(xué)（尤其是癲癇發(fā)作的起始機(jī)制，即大腦如何引發(fā)癲癇發(fā)作）的主要工具。腦電圖（EEG）上的癲癇發(fā)作是癲癇的主要電生理標(biāo)志。識(shí)別發(fā)作期放電中最早和最快的成分是確定癲癇發(fā)作起始區(qū)（SOZ）的關(guān)鍵步驟。植入癲癇發(fā)作起始區(qū)（SOZ）的微電極可以在癲癇發(fā)作開始和發(fā)展過程中捕獲單單元活動(dòng)，并有助于描述癲癇發(fā)作起始區(qū)的網(wǎng)絡(luò)。此外，根據(jù)通過尖峰分類分離出的神經(jīng)元的波形和放電特性，有可能區(qū)分假定的錐體細(xì)胞和中間神經(jīng)元，并描述它們各自在癲癇發(fā)作產(chǎn)生中的作用。微電極還被用于描述癲癇發(fā)作間期事件（如癲癇棘波）期間的單單元行為，并顯示出不同的放電模式。微電極還可以檢測到相鄰宏觀電極無法檢測到的其他癲癇標(biāo)志物，例如高頻振蕩（HFOs），特別是在快波紋頻段（250-500赫茲）。高頻振蕩最初是從微電極記錄中識(shí)別出來的，據(jù)推測它們是由大約1立方毫米的微小神經(jīng)元集合產(chǎn)生的。微電極還揭示了微癲癇發(fā)作作為離散的節(jié)律性活動(dòng)，由于微電極在采樣更小的神經(jīng)元集合的局部場電位方面具有更好的分辨率，因此宏觀電極無法檢測到這些微癲癇發(fā)作。

在微電極信號(hào)上檢測單元需要較高的信噪比（SNR），這不僅取決于信號(hào)中的噪聲水平，還取決于電極與神經(jīng)元胞體之間的距離。噪聲水平越高，就越難以檢測到幅度較低的動(dòng)作電位。由于動(dòng)作電位波形的改變，高噪聲水平也會(huì)影響用于將檢測到的動(dòng)作電位分配到不同神經(jīng)元的尖峰分類算法的準(zhǔn)確性。對(duì)于所有電生理記錄而言，來自周圍環(huán)境的電磁噪聲以及運(yùn)動(dòng)偽影是信號(hào)的主要噪聲源。因此，由于無法移動(dòng)某種電極的微導(dǎo)線使其靠近神經(jīng)元的胞體，降低這些噪聲源至關(guān)重要，特別是因?yàn)槲?dǎo)線的直徑非常小，這使得它們非常脆弱且對(duì)噪聲敏感。

此外，癲癇事件，尤其是癲癇發(fā)作，具有不可預(yù)測的發(fā)作時(shí)間，需要持續(xù)且長期的電生理監(jiān)測才能記錄下來。只有在整個(gè)監(jiān)測期間進(jìn)行穩(wěn)定的高質(zhì)量微電極記錄，才有可能在這些事件期間研究局部場電位（LFP）和單元活動(dòng)。長期微電極記錄對(duì)于細(xì)胞水平的生理和認(rèn)知研究也至關(guān)重要。然而，使用微電極進(jìn)行持續(xù)且長期的記錄在技術(shù)上極具挑戰(zhàn)性。得益于法國巴黎皮提耶-薩爾佩特里埃醫(yī)院的幾個(gè)臨床團(tuán)隊(duì)與位于醫(yī)院內(nèi)的一個(gè)研究中心之間的緊密合作，我們于2010年開始使用某種微電極對(duì)癲癇患者進(jìn)行記錄。

本文的目的是分享我們在過去10年中進(jìn)行持續(xù)長期微電極記錄的經(jīng)驗(yàn)，并提供與已發(fā)表的方法學(xué)論文互補(bǔ)的建議。手術(shù)期間的電極操作是避免因?qū)Ь€損壞而產(chǎn)生噪聲的關(guān)鍵步驟，并且已在多篇論文中有所描述。根據(jù)技術(shù)設(shè)置對(duì)噪聲水平進(jìn)行詳細(xì)量化對(duì)于采用最佳方法也很重要，但據(jù)我們所知，尚未對(duì)此進(jìn)行量化和詳細(xì)描述。我們描述了我們所面臨的技術(shù)問題，以及為降低信號(hào)噪聲水平所做的各種改進(jìn)，這對(duì)于增加記錄多單元活動(dòng)（MUA）和單單元活動(dòng)（SUA）的可能性至關(guān)重要。我們首先在“方法”部分描述了我們當(dāng)前的記錄方法。隨著時(shí)間推移我們的數(shù)據(jù)質(zhì)量的改進(jìn)情況在“結(jié)果”部分進(jìn)行了報(bào)告，其中包括詳細(xì)的噪聲水平測量以及根據(jù)不同材料設(shè)置對(duì)多單元記錄的量化。此外，我們總結(jié)了從手術(shù)到記錄的主要技術(shù)指南，我們認(rèn)為這些指南對(duì)于提高微電極記錄的質(zhì)量至關(guān)重要。