目的

通過微電極在體內(nèi)記錄的人類神經(jīng)元活動，或許能為理解人類認(rèn)知的生理機制以及腦部疾病（尤其是癲癇）的病理生理機制提供有價值的見解。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，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，它們對噪聲更為敏感。低噪聲水平對于從背景噪聲中檢測動作電位以及進一步分離單個神經(jīng)元活動至關(guān)重要。因此，多單元活動的長期記錄仍然是一項挑戰(zhàn)。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(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。主要是在對患者記錄室進行電絕緣處理以及使用增強型微電極模型后實現(xiàn)了降噪，均方根值中位數(shù)達到5.8微伏。70%的電極束能夠記錄多單元活動（MUA），平均每束8根導(dǎo)線中約有3根能記錄，且平均記錄時長為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，并且在對記錄室進行絕緣處理后，75%的患者在癲癇發(fā)作期間能夠記錄到多單元活動。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對電極尾部的操作和保護；（ii）對患者記錄室進行電絕緣和屏蔽；（iii）數(shù)據(jù)采集和存儲；（iv）單單元活動分析。

結(jié)論

我們逐步改進了記錄設(shè)置，現(xiàn)在能夠：（i）記錄低噪聲水平的微電極信號，時長可達3周；（ii）從更多數(shù)量的導(dǎo)線中記錄多單元活動。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)的步驟對于單元的持續(xù)長期記錄至關(guān)重要，以便我們進一步理解癲癇發(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會。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，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宏觀接觸點，彼此間隔幾毫米到幾厘米。每個宏觀接觸點的大小為幾毫米，并測量來自大量神經(jīng)元群體的神經(jīng)元活動。

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。與宏觀接觸點相比，微導(dǎo)線具有兩個主要優(yōu)點：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)元的動作電位，即多單元活動（MUA），在進行尖峰分類后可以從中分離出單單元活動（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)作間隙對單元進行了急性記錄。宏觀電極經(jīng)過改進，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?；旌仙疃入姌O在宏觀接觸點之間設(shè)有微觀接觸點。在某種型號的宏觀-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，對記錄的局部場電位（LFP）、多單元活動（MUA）或單單元活動（SUA）進行分析，為理解神經(jīng)元編碼、潛在的生理過程以及認(rèn)知提供了有價值的見解。通過在無癲癇活動的腦區(qū)進行單次試驗研究，記錄能夠以時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對于描述單個神經(jīng)元的行為至關(guān)重要。科學(xué)家的團隊描述了特定類別的單單元活動，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3周）為認(rèn)知任務(wù)留出了專門的時間段，這些任務(wù)可以在數(shù)天和數(shù)周內(nèi)重復(fù)進行。這對于研究記憶編碼和檢索具有明顯的價值。

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(biāo)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(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，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，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作電位。由于動作電位波形的改變，高噪聲水平也會影響用于將檢測到的動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動偽影是信號的主要噪聲源。因此，由于無法移動某種電極的微導(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，特別是因為微導(dǎo)線的直徑非常小，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(yù)測的發(fā)作時間，需要持續(xù)且長期的電生理監(jiān)測才能記錄下來。只有在整個監(jiān)測期間進行穩(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。長期微電極記錄對于細(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)院的幾個臨床團隊與位于醫(yī)院內(nèi)的一個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癲癇患者進行記錄。

本文的目的是分享我們在過去10年中進行持續(xù)長期微電極記錄的經(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?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)置對噪聲水平進行詳細(xì)量化對于采用最佳方法也很重要，但據(jù)我們所知，尚未對此進行量化和詳細(xì)描述。我們描述了我們所面臨的技術(shù)問題，以及為降低信號噪聲水平所做的各種改進，這對于增加記錄多單元活動（MUA）和單單元活動（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。隨著時間推移我們的數(shù)據(jù)質(zhì)量的改進情況在“結(jié)果”部分進行了報告，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)為這些指南對于提高微電極記錄的質(zhì)量至關(guān)重要。