在神经科学研究中，研究特定认知过程的神经机制是一项关键任务。为了实现这一目标，科学家们通常采用在体神经电生理实验技术，通过植入电极来记录动物大脑的神经元放电。
实验通常分为三个阶段：
- 实验准备：选择合适的动物模型，如老鼠，进行必要的手术准备，包括精确的立体定位手术以植入电极。
- 实验操作：在实验过程中，动物会被置于特定的环境，如迷宫或旷场，以诱发特定的认知过程。通过电极，研究人员可以记录动物在面对视觉、听觉或触觉刺激时的神经电活动。
- 数据记录与分析：收集到的电生理信号需要经过专业的软件处理和分析，以识别神经元的放电模式和神经网络的同步活动。
动物模型的选择老鼠因其与人类的遗传、生理和行为相似性，成为研究神经系统功能和疾病的想模型。老鼠的生命周期短、繁殖能力强，且行为容易观察和量化，使得它们在神经科学研究中被广泛使用。
行为实验的分类根据动物的行为特点，实验可以分为：1. 自由移动（freely moving）：允许动物在实验环境中自由移动，适合研究空间导航、探索行为等。2. 头部固定（head-fixed）：动物的头部被固定，适合进行更精确控制的实验条件，如研究视觉、听觉等感官刺激的神经处理。
记录方式与行为实验相对应的，在体电生理的记录方式分为：– 急性记录（acute recording）：适用头部固定的动物实验，可以快速获取数据，但无法观察长期变化。– 慢性记录（chronic recording）：通过长期植入的电极进行，允许研究人员在数天、数周甚至数月的时间内跟踪同一动物的神经活动，适合研究长期学习和记忆过程。
急性记录（acute recording）急性记录（acute recording）指的是电极下到目标脑区后直接开始记录，记录后抽出电极等待下一次使用。动物头上的颅窗保持开放，在一段时间内重复进行电极的刺入和记录（期间要注意对电极的清消和动物颅窗的保护）。急性记录只适用于头固定（head-fixed）的行为，因为在下电极的过程中必须保持动物头部固定不动，然后使用微操（micromanipulator）以极其缓慢的速度放置电极（5~10μm/s左右）。
急性记录具有极强的灵活性，它允许科研人员根据实验需求灵活调整电极的植入角度和位置，同时，可通过多个电极或多针电极的组合使用，能够在单次记录中记录到大量的数据。
急性记录的另一显著优势在于其能够确保信号的良好记录。由于急性记录是在电极植入后立刻进行的，此时电极及其周围脑组织均处于接近原始状态，从而避免了因炎症、瘢痕组织、感染等因素导致的信号缺失问题。同时，由于组织新鲜且阻抗较低，急性记录能够获取到大量的神经元信号。
但是这里有两个急性记录非常重要的小tips：
1）急性记录中使用的硅电极，如neuropixel，具有一个显著的优势，即可以通过手动打磨的方式将其尖端磨得更加尖锐。这种精细的打磨处理使得电极在穿透组织时更为顺畅，从而极大地简化了电极放置的过程。同时，磨尖后的电极在插入大脑后，能够减少因大脑缓慢移动（drift）而产生的位置偏移，确保记录的稳定性和准确性。学习网站：https://github.com/cortex-lab/neuropixels/wiki/Sharpening
2）在急性记录实验中，使用硬脑膜凝胶（dura-gel）来保护开好的颅窗是一项重要的操作。这种凝胶能够在皮表面成一层保护膜，有效地防止外界因素对脑组织的损害。如果没有使用dura-gel，皮层表面会发生增生，这不仅增加了电极刺入的难度，甚至可能导致电极无法刺入。因此，dura-gel的使用对于确保急性记录实验的顺利进行和数据的准确性至关重要。
学习网站：https://www.cambridgeneurotech.com/dura-gel
慢性记录（chronic recording）对于能够自由移动的动物而言，急性记录因其操作限制而不可行。因此，在神经科学研究中，慢性记录（chronic recording）成为了一种更为传统的记录方式。这种记录方法的特点是在特定脑区植入电极后，通过牙科水泥等固定物将电极支架牢固地固定在颅骨上，从而允许动物在携带电极的情况下进行长期的神经电信号记录。
对于小鼠这类小型动物来说，慢性记录需要特别考虑植入物的重量问题。由于小鼠头部所能承受的重量有限，因此减轻植入物的重量显得尤为重要。此外，电极的成本也是另一个需要考虑的因素，特别是对于高价值的neuropixel电极而言。
为了解决这些问题，研究者们通常采取一些巧妙的策略。他们使用轻便的3D打印外壳来固定neuropixel电极，这样既能确保电极的稳定性和记录质量，又能有效地控制整体植入物的重量。同时，在实验完成后，研究者们可以从外壳中取出电极进行回收和重复利用，从而降低了研究成本。慢性记录还有很多可使用的良好电极工具，后续文章做详细分析介绍。
总的来说，慢性记录为神经科学研究提供了一种有效的手段，特别是在研究自由移动动物的神经活动时。通过合理的设计和优化，我们可以克服植入物重量和电极成本等问题，实现长期、高质量的神经电信号记录。
电极植入的过程则是把电极放置到大脑区域后，向颅窗内加入dura-gel密封大脑，然后再使用牙科水泥固定3D打印的外壳和颅骨即可，具体步骤如下图：
这种慢性记录如果手术成功的话一般可以维持很长时间。另外现在也有工具可以从原始数据里跨天追踪单个神经元，从而可以在一定时间内追踪神经元编码的变化。学习网站：https://github.com/EnnyvanBeest/UnitMatch
记录接地的问题良好的接地对于实验记录非常重要。
接地主要有两个作用：1）提供电荷的通道；2）提供所有电极的相对基准电压。如果没有接地，放大器的输入引脚相当于悬空，很容易落在输入动态范围之外导致记录不到信号。另一个需要注意的是参考电极（REF）。参考电极是差分放大器的总负端输入，所有的电信号都是减去参考电极的电压来计算，所以选择合适的参考电极有助于抵消噪音（有的电磁噪音均匀叠加在各个输入通道，可以被减去）。地线和参考电极的连接方式通常有两种（neuropixel probe有三种），如下图：
方法一：双颅钉
– 目的：通过使用参考电极来降低噪声。
– 操作：在颅骨和硬脑膜之间植入两个颅钉，分别作为地线和参考电极。
– 优势：能够减少共模噪声，提升信号的清晰度。
– 局限：由于参考电极的阻抗等特性与记录通道可能存在差异，导致无法完全消除所有噪声。
方法二：单颅钉
– 目的：简化手术步骤，减少手术复杂性。
– 操作：仅使用一个颅钉，同时充当地线和参考电极的角色。
– 优势：手术过程更简便，且在有良好屏蔽的实验条件下，通常不需要额外的参考电极来消除噪声。
– 局限：相比双颅钉配置，单颅钉配置在噪声消除方面的效果可能略逊一筹。方法三：Neuropixel尖端电极作为参考
– 目的：实现最大程度的噪声消除，以获得最清晰的信号。
– 操作：将Neuropixel电极的尖端位置用作参考点。
– 优势：能够最大限度地降低噪声干扰，提高信号的信噪比。- 局限：在消除噪声的过程中，可能会错误地将一些局部场电位（LFP）信号也视为噪声而去除，从而损失部分有用的信号。
研究人员在选择参考电极配置时，需要根据实验的需求、手术的可行性以及对信号质量的要求进行综合考虑。每种方法都有其特定的应用场景和优缺点，合理选择可以优化实验结果，提高研究的准确性。
电极位置的追踪：
在神经科学实验中，电生理记录完成后，我们通常需要通过组织学方法来验证电极的位置和路径。为了实现这一目的，实验中常采用一种名为DiI的亲脂性细胞膜染料。通过这一过程，我们不仅能够确认电极的精确位置，还能够验证实验中记录的神经活动的准确性。这种组织学验证是确保神经科学研究质量的重要环节。详见：https://zhuanlan.zhihu.com/p/675479067
总结
通过综合运用急性和慢性实验，科研人员能够全面深入地了解神经系统的电生理特性，为神经科学研究提供有力的实验支持。同时，这些研究也必须遵循严格的伦理准则，确保动物的福利和实验的合理性。
Reserences：
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