用于慢性光学记录狨猴大脑皮层活动的腔内植入装置

《Journal of Neurorestoratology》：Chamber Implant for Chronic Optical Recordings from the Cerebral Cortex of Marmosets

神经科学领域开发了一种新型恒河猴皮质长期成像腔室，采用曲玻璃窗和可调节深度设计以抑制组织再生，结合钛合金头固定装置，实现数月内稳定光学成像。该装置通过硅胶密封和模块化结构解决感染风险与机械稳定性问题，并验证了在活体中成像钙激活传感器和膜电位传感器的可行性

　　这项研究聚焦于开发一种新的成像装置，以实现对狨猴大脑皮层的长期光学成像。狨猴作为一种重要的神经科学研究模型，其大脑结构为使用光学方法，如双光子显微镜，提供了独特的研究机会。该研究的核心在于设计一种既能提供长期稳定的成像窗口，又能减少感染风险和脑脊液（CSF）泄漏的装置，同时允许在需要时进行打开和重新密封，以便进行必要的操作，如染色、转染和组织清除。研究人员通过改进现有方法，提出了一个更加灵活、耐用且易于操作的成像室设计，并对其实验效果进行了系统评估。

### 研究背景

狨猴因其独特的脑结构，成为神经科学研究中的重要动物模型。特别是，它们的大脑表面较为平坦（lissencephaly），这为光学成像提供了天然的优势。然而，长期成像过程中，由于脑部创伤和手术操作，脑组织表面可能会形成新的膜层，这会阻碍成像质量并增加感染风险。因此，研究团队开发了一种新型的成像装置，旨在解决这些问题，提高成像的稳定性和清晰度。

### 新方法的描述

研究团队设计了一种具有8毫米直径的成像室，该成像室由两个金属圆柱体组成，外圆柱体插入颅骨的开颅部位，内圆柱体（称为“well”）可以调节深度以适应不同情况下的脑组织。成像室底部安装了一块具有特定曲率的玻璃盖片，这种设计不仅能够与大脑表面保持良好接触，还能有效减少组织增生。为了确保密封性，研究团队使用了硅橡胶密封剂，并通过MRI数据优化了成像室的位置和角度。

此外，该成像室还配有头支架，用于固定动物的头部，便于进行清醒状态下的成像。这种设计相比传统的耳杆，提供了更好的舒适度和稳定性，尤其在需要频繁进行头固定实验的情况下更为适用。

### 研究结果

使用该成像室，研究人员成功实现了对狨猴大脑皮层的长期双光子成像。在使用基因编码的荧光钙传感器（GeCI）进行连续成像的实验中，观察到了长达数月的高质量图像。同时，他们还验证了在活体狨猴中使用基因编码电压传感器（GEVI）进行双光子成像的可行性。

值得注意的是，研究团队发现，使用曲面玻璃盖片能够显著延缓组织增生。与之前使用平面玻璃的设计相比，曲面玻璃能够更好地贴合大脑表面，从而减少组织增生的速率。此外，他们还发现，即使在某些情况下，组织增生仍然不可避免，但通过定期的组织清除，可以有效恢复成像质量。

### 与现有方法的比较

相比于传统设计，新成像室提供了更大的成像视野，同时可以使用标准设备进行制造。传统的成像室通常使用平面玻璃，而新设计采用了曲面玻璃，这种玻璃能够更好地贴合大脑表面，从而减少组织增生。此外，新成像室的结构允许调节玻璃盖片与大脑表面之间的距离，使得在脑组织肿胀或收缩时仍能保持良好的接触。

尽管新设计在某些方面优于传统方法，如更大的视野和更好的组织贴合，但它仍然存在一些局限性。例如，由于成像室的尺寸较小，其高度受到限制，这可能影响使用短工作距离的显微镜进行成像。此外，虽然硅橡胶密封剂能够提供良好的密封效果，但在某些情况下，可能需要进一步改进以确保完全的密封性。

### 研究的局限性与改进方向

尽管新设计已经能够满足长期成像的需求，但研究团队也指出了几个可能的改进方向。首先，他们建议根据MRI数据进一步优化玻璃盖片的曲率，以更好地贴合不同区域的大脑表面。其次，为了提高密封性，可以考虑使用更弹性或更坚固的材料来制作成像室的外圆柱体或内圆柱体，以减少密封剂在使用过程中可能产生的缝隙。

此外，研究团队还提到，对于某些特定的成像需求，如需要更高的成像分辨率，可能需要使用不同的成像方法，例如动态全息成像（ULoVE）。然而，这些方法在实际应用中可能面临更高的技术挑战和成本。

### 实验动物与伦理考虑

为了验证新成像室的效果，研究团队使用了四只狨猴作为实验对象，其中一只为雄性，三只为雌性，年龄在17至70个月之间。这些动物在手术后被仔细监测，确保其健康状况良好。研究团队还开发了一套专门的狨猴福利评估体系，以评估手术后的健康状况，并根据个体差异提供相应的护理。

### 实验过程与成像技术

在手术过程中，研究人员使用了MRI数据来指导成像室的安装位置，并通过调整成像室的深度来确保玻璃盖片与大脑表面保持紧密接触。为了防止脑组织肿胀，他们在手术过程中使用了甘露醇（mannitol）进行治疗。此外，为了确保成像质量，研究人员使用了高精度的微注射器进行病毒转染，并对注射参数进行了详细优化。

在成像过程中，研究人员使用了双光子显微镜进行记录，并对图像进行了背景校正和漂白校正。他们发现，使用较高的帧率（如990 Hz）可以更清晰地捕捉到细胞活动，而使用较低的帧率（如31 Hz）则适用于更广泛的成像区域。同时，他们也发现，当组织增生开始影响成像质量时，通过手术移除增生组织可以显著恢复成像效果。

### 实验结果的总结

研究结果表明，新设计的成像室在长期成像方面具有显著优势。通过使用曲面玻璃盖片，研究人员能够有效延缓组织增生，并保持较高的成像质量。此外，该成像室的设计允许在需要时进行打开和重新密封，为后续的实验操作提供了便利。然而，组织增生仍然是一个挑战，特别是在某些狨猴中，增生速度较快，导致成像质量迅速下降。

总的来说，这项研究为狨猴的长期光学成像提供了一种新的解决方案，不仅提高了成像质量，还降低了感染风险。尽管存在一些局限性，但通过进一步的优化和改进，这种成像室有望在未来的神经科学研究中发挥更大的作用。