目的

通過(guò)微電極在體內記錄的人類(lèi)神經(jīng)元活動(dòng)，或許能為理解人類(lèi)認知的生理機制以及腦部疾?。ㄓ绕涫前d癇）的病理生理機制提供有價(jià)值的見(jiàn)解。為了監測像癲癇發(fā)作或睡眠這類(lèi)不可預測的病理和生理活動(dòng)，持續且長(cháng)期的記錄是必要的。由于微電極具有高阻抗，與宏觀(guān)電極相比，它們對噪聲更為敏感。低噪聲水平對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(cháng)期記錄仍然是一項挑戰。我們在此分享了我們在微電極記錄方面的經(jīng)驗，以及為降低噪聲水平以提高信號質(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、成像和信號分析的詳細技術(shù)指南。

結果

在過(guò)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(guān)-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)設置。主要是在對患者記錄室進(jìn)行電絕緣處理以及使用增強型微電極模型后實(shí)現了降噪，均方根值中位數達到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根導線(xiàn)中約有3根能記錄，且平均記錄時(shí)長(cháng)為12天。在持續記錄的情況下，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)對電極尾部的操作和保護；（ii）對患者記錄室進(jìn)行電絕緣和屏蔽；（iii）數據采集和存儲；（iv）單單元活動(dòng)分析。

結論

我們逐步改進(jìn)了記錄設置，現在能夠：（i）記錄低噪聲水平的微電極信號，時(shí)長(cháng)可達3周；（ii）從更多數量的導線(xiàn)中記錄多單元活動(dòng)。我們構建了從電極軌跡規劃到記錄的分步流程。所有這些精細的步驟對于單元的持續長(cháng)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)前的顱內腦電圖（iEEG）研究為長(cháng)時(shí)間在體內研究人類(lèi)神經(jīng)元集合的功能提供了難得的機會(huì )。當無(wú)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)，腦內電極的手術(shù)植入可以描繪出被稱(chēng)為癲癇發(fā)作起始區（SOZ）的致癇灶。

可以通過(guò)手術(shù)植入不同類(lèi)型的電極，可以單獨植入或組合植入：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(guān)接觸點(diǎn)，彼此間隔幾毫米到幾厘米。每個(gè)宏觀(guān)接觸點(diǎn)的大小為幾毫米，并測量來(lái)自大量神經(jīng)元群體的神經(jīng)元活動(dòng)。

微電極在絕緣導線(xiàn)的尖端具有較小的接觸面積，直徑約為40微米。與宏觀(guān)接觸點(diǎn)相比，微導線(xiàn)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(chǎng)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(lèi)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(lèi)內側顳葉癲癇發(fā)作期間和發(fā)作間隙對單元進(jìn)行了急性記錄。宏觀(guān)電極經(jīng)過(guò)改進(jìn)，以便插入一束柔性微導線(xiàn)。隨后，在人類(lèi)顱內腦電圖（iEEG）記錄期間，微電極被植入致癇灶，并且開(kāi)發(fā)出了不同類(lèi)型的微電極?；旌仙疃入姌O在宏觀(guān)接觸點(diǎn)之間設有微觀(guān)接觸點(diǎn)。在某種型號的宏觀(guān)-微電極模型中，微導線(xiàn)穿過(guò)宏觀(guān)電極軸插入，突出到深度宏觀(guān)電極尖端之外的腦組織中。在另一種混合宏觀(guān)-微電極模型中，微導線(xiàn)從宏觀(guān)電極軸的宏觀(guān)接觸點(diǎn)之間穿出，并且采用四電極而非單導線(xiàn)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用于研究目的，對記錄的局部場(chǎng)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(guò)程以及認知提供了有價(jià)值的見(jiàn)解。通過(guò)在無(wú)癲癇活動(dòng)的腦區進(jìn)行單次試驗研究，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知過(guò)程。例如，使用某種電極在人類(lèi)內側顳葉、杏仁核和海馬體中獲得了重要發(fā)現，其中分離單單元活動(dòng)對于描述單個(gè)神經(jīng)元的行為至關(guān)重要?？茖W(xué)家的團隊描述了特定類(lèi)別的單單元活動(dòng)，例如人類(lèi)內側顳葉中的意象神經(jīng)元以及人類(lèi)海馬體中的位置細胞。一些內側顳葉單單元活動(dòng)可以被特定物體、地標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(cháng)期記錄（長(cháng)達3周）為認知任務(wù)留出了專(zhuān)門(mén)的時(shí)間段，這些任務(wù)可以在數天和數周內重復進(jìn)行。這對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志。識別發(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（SOZ）的關(guān)鍵步驟。植入癲癇發(fā)作起始區（SOZ）的微電極可以在癲癇發(fā)作開(kāi)始和發(fā)展過(guò)程中捕獲單單元活動(dòng)，并有助于描述癲癇發(fā)作起始區的網(wǎng)絡(luò )。此外，根據通過(guò)尖峰分類(lèi)分離出的神經(jīng)元的波形和放電特性，有可能區分假定的錐體細胞和中間神經(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(guān)電極無(wú)法檢測到的其他癲癇標志物，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別出來(lái)的，據推測它們是由大約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(chǎng)電位方面具有更好的分辨率，因此宏觀(guān)電極無(wú)法檢測到這些微癲癇發(fā)作。

在微電極信號上檢測單元需要較高的信噪比（SNR），這不僅取決于信號中的噪聲水平，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(lèi)算法的準確性。對于所有電生理記錄而言，來(lái)自周?chē)h(huán)境的電磁噪聲以及運動(dòng)偽影是信號的主要噪聲源。因此，由于無(wú)法移動(dòng)某種電極的微導線(xiàn)使其靠近神經(jīng)元的胞體，降低這些噪聲源至關(guān)重要，特別是因為微導線(xiàn)的直徑非常小，這使得它們非常脆弱且對噪聲敏感。

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

本文的目的是分享我們在過(guò)去10年中進(jìn)行持續長(cháng)期微電極記錄的經(jīng)驗，并提供與已發(fā)表的方法學(xué)論文互補的建議。手術(shù)期間的電極操作是避免因導線(xiàn)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。根據技術(shù)設置對噪聲水平進(jìn)行詳細量化對于采用最佳方法也很重要，但據我們所知，尚未對此進(jìn)行量化和詳細描述。我們描述了我們所面臨的技術(shù)問(wèn)題，以及為降低信號噪聲水平所做的各種改進(jìn)，這對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”部分描述了我們當前的記錄方法。隨著(zhù)時(shí)間推移我們的數據質(zhì)量的改進(jìn)情況在“結果”部分進(jìn)行了報告，其中包括詳細的噪聲水平測量以及根據不同材料設置對多單元記錄的量化。此外，我們總結了從手術(shù)到記錄的主要技術(shù)指南，我們認為這些指南對于提高微電極記錄的質(zhì)量至關(guān)重要。