高频刺激期间用于海马切片局部测温的快响应微加工热电偶微探针

《Micro and Nano Engineering》：Fast-response micromachined thermocouple microprobe for localized thermometry of hippocampal slices during high-frequency stimulation

　　

微加工热电偶微探针因其小的传感面积、低热质量和快速响应，为生物相关微环境中的局部温度传感提供了一种有前景的方法。在这项工作中，研究人员应用快响应微加工热电偶探针来测量小鼠海马脑片在强烈突触激活期间的局部温度瞬变。将探针定位在组织内，以记录Schaffer侧支输入的高频电刺激（100?Hz）期间的实时温度变化。在浴液设定点为23?±?1?°C时，刺激产生局部温度升高，峰值温度升高0.54?±?0.07?°C（n=4）。相反，在河豚毒素（tetrodotoxin, TTX）药理阻断动作电位产生后，相同的刺激方案没有产生可测量的温度升高。这些测量表明，微加工热电偶平台可以在生理相关的刺激条件下解析神经组织中小的、局部的、活动依赖的热信号。结果还表明，高频神经元放电和突触传递会暂时升高局部脑温，这与代谢能量消耗增加一致。这项研究突出了微加工热电偶传感器在神经制备中直接测温的效用，并支持其在复杂生物系统中空间局部热测量的更广泛使用。

大脑功能与能量代谢和产热密切相关。以往研究表明，哺乳动物脑温并非恒定，在正常行为和神经激活中可出现快速波动（如清醒大鼠脑温变化达~4?°C）。局部感觉刺激可诱发可重复的脑温变化，且局部神经过程是主要热源：激活脑区的升温常早于核心体温上升，表明热量源于神经组织而非外周。这种局部产热被认为源于活跃回路的高能量需求，尤其是三磷酸腺苷（ATP）水解以恢复离子梯度（主要通过钠钾ATP酶 Na⁺/K⁺-ATPase），以及线粒体氧化代谢等产热过程。然而，现有测温方法缺乏时间分辨率和空间局域性，难以解析快速、活动锁定的温度瞬变，且体内研究无法分离内在产热与血管冷却效应。为解决这一问题，研究人员采用微加工热电偶微探针（micromachined thermocouple microprobe），在离体海马切片中直接测量高频刺激（high-frequency stimulation, HFS）引起的局部温度变化，以量化突触活动相关的产热。

研究人员使用微加工热电偶微探针对小鼠海马CA1区顶端树突层进行局部测温，结合电生理刺激和记录，在控制条件下（23?±?1?°C）对Schaffer侧支施加100?Hz、1?s的HFS，记录温度瞬变，并通过河豚毒素（tetrodotoxin, TTX）阻断动作电位以验证活动依赖性。结果显示HFS引起局部温度升高0.54?±?0.07?°C（n=4），而TTX处理后无显著升温，表明升温依赖于神经元放电和突触传递。该研究证明微加工热电偶平台可解析神经组织中微小的活动依赖热信号，为神经代谢研究提供了直接测温工具，论文发表在《Micro and Nano Engineering》。

**主要关键技术方法（不超过250字）：**
研究人员采用微加工热电偶探针，以硅绝缘体（silicon-on-insulator, SOI）晶圆为基底，通过步进光刻（stepper lithography）实现亚微米对准，结合深反应离子刻蚀（DRIE）和原子层沉积（atomic layer deposition, ALD）制备Al₂O₃绝缘层，探头尖端宽度约6?μm，热电偶结面积约3?×?4.5?μm。经有限元模拟估计热时间常数约8.5?μs。校准采用矿物油层抑制毛细效应和蒸发冷却，灵敏度约292?μV/K。使用4–8周龄小鼠制备400?μm厚海马冠状切片，在室温下记录。刺激电极置于Schaffer侧支，玻璃微电极记录场电位，温度信号经1?Hz低通滤波处理。

**研究结果：**
**Baseline and stimulus-induced temperature changes**：在基线稳定（±0.02?°C）条件下，HFS（100?Hz、1?s）在CA1区顶端树突层引起快速温度升高，峰值ΔT=0.54?±?0.07?°C（n=4），温度在刺激后数秒内回到基线。同步电生理记录显示HFS诱发持续的群体锋电位和场兴奋性突触后电位（fEPSPs），确认神经活动活跃。相比之下，TTX（1?μM）处理相同刺激后无显著温度变化（噪声水平~0.02?°C），场电位记录证实无神经元活动，表明升温完全依赖于动作电位驱动突触活动（p<0.001）。重复刺激后温度响应一致，排除了外部热源伪影。

**总结讨论部分：**
讨论指出，HFS诱导的局部产热直接源于突触活动和动作电位引发的代谢骤增：神经元快速消耗ATP以通过Na⁺/K⁺-ATPase恢复离子梯度，ATP水解释放能量部分以热形式耗散；此外，星形胶质细胞清除谷氨酸等过程也贡献产热，因此该温度升高是神经元-胶质细胞网络活动的综合信号。其时间进程（刺激后数秒达峰）符合后强直恢复相产热特征。与体内研究一致，约0.5?°C的升温幅度与清醒动物中的局部脑温变化可比较。但由于离体切片缺乏血流散热，可能放大了局部温度积累。技术限制包括单点测量无法解析微观梯度，以及离体环境缺失神经血管耦合。未来需结合体内测量和高分辨热成像扩展研究。

**翻译研究结论部分：**
总之，这项研究表明局部产热伴随海马高频突触活动。海马切片CA1区顶端树突层在神经元回路以100?Hz驱动时出现可重复的温度升高，且该效应严格依赖于活动。这些发现强化了脑功能活动与热状态紧密耦合的观点。监测和控制这类温度变化在神经生理实验中很重要，因为温度可影响突触和回路行为。除了实验考虑，阐明大脑如何散热或利用活动诱导的热量，可揭示神经血管调节机制，并为脑过热风险疾病的治疗策略提供信息。神经激活、能量消耗和产热之间的相互作用是脑生理学的基本方面，值得进一步探索。