麻醉小鼠颅外刺激电极的放置和脑血流量和颅内电场的测量

经颅电刺激（tES;正弦波刺激，tACS）是一种常见的、外部的、非侵入性的脑神经调控方法^1,2。之前，我们假设在某些剂量下，tES（尤其是 tACS）可能会增加潜在大脑区域的脑血流量 （CBF）³。此外，施加的外部电流或颅内电场与产生的CBF反应之间可能存在剂量反应关系。然而，大多数临床刺激方案都集中在预定时间段（即 30-45 分钟）的最大舒适皮肤刺激水平（即 ~ 2 mA）作为治疗方案 ^4,5。在啮齿动物中，可以使用直接施加在颅骨上的侵入性颅外脑电极来研究 tES⁶ 诱导的大脑电场。因此，该方法的目标是根据剂量-反应关系确定相关频率下 tACS 强度对 CBF 变化的影响。该剂量反应曲线基于CBF^与施加在大脑上的电场相关的短期生理生物标志物直接测量3。我们之前已经证明，在较大的振幅下，通常超出临床上由 tACS 诱导的大脑内电场范围，感应电场与皮层³ 中的 CBF 之间存在近线性相关性。然而，较小视野的刺激（即 1-5 mV/mm 强度）可能更适合用于人类;因此，我们修改了我们的技术来检测较小的CBF变化。

本文描述了一种方案，用于分析低场强 tES 交流正弦电流 （tACS） 对 CBF（即 0.5-2.0 mA 电流，1-5 mV/mm 电场）的影响，清醒的啮齿动物可以耐受⁵。该协议涉及在tACS期间使用新型激光散斑成像以及双颅内玻璃电极，以确定活性tACS在大脑内的扩散（由CBF监测）和颅内电场强度，其显示为图表和实际实验照片（图1）。tES 在大脑内有许多可能的生理效应，包括直接神经元调节、神经可塑性和星形胶质细胞激活 ^7,8。尽管 CBF 已使用 tDCS ^9,10 进行测量，但这些测量缓慢、间接且不足以评估大脑中的剂量反应功能。因此，通过使用适当的短期生物标志物（即 CBF、电场）和 tACS 的快速开/关序列，我们现在可以更准确地估计剂量反应函数。此外，我们可以应用不同的技术来测量 CBF，包括具有定义感兴趣区域的聚焦激光多普勒探头 （LD） 和激光散斑成像 （LSI）。

图 1：经颅刺激图和摄影示例。 （A） 经颅刺激装置示意图。该图显示了带有冠状缝合线和矢状缝合线的小鼠头骨。经颅电极横向对称放置在颅骨上，并在电极和颅骨之间安装有手术胶和导电膏。这些电极连接到与人体兼容的恒流刺激装置，该装置可以指定刺激的频率、幅度和持续时间。为了评估颅内电场，将双侧玻璃电极（~2 MΩ）放置在大脑皮层中（即，在颅骨内侧1mm以内，通过小毛刺孔），并用矿物油密封，并在颈部肌肉中具有AgCl基础（显示为中心埋入皮下颈部组织的较大电线）。这些玻璃电极连接到直流放大器，其输出通过至少具有四个通道的数字化仪进行记录。双侧激光多普勒探头也被放置在颅骨上进行记录。整个头骨还使用激光散斑成像设备或高分辨率（至少 1,024 x 1,024 像素，12-14 位像素深度）冷却相机进行成像，以进行固有光信号检测。通常选择血红蛋白等吸收频率（即 562 nm）作为血流成像的照明。（B） 实际实验的特写图像，显示双侧激光多普勒探头（左侧）、通过毛刺孔放置的（双侧）颅内玻璃记录微电极以及横向放置 tACS 刺激电极。缩写：tACS=经颅交流电刺激。请点击这里查看此图的较大版本.

作为评估机制的一种方式，我们还可以询问与其他也改变 CBF 的生理过程的相互作用，例如 K⁺ 诱导的扩散去极化¹¹。此外，除了定期安排的会议外，还可以开发基于各种疾病的额外生物标志物的闭环系统，正如为癫痫治疗¹² （即临床Neuropace设备）所建议的那样。例如，在缺乏足够的多巴胺（通常是β波段 LFP）的情况下，帕金森病的闭环脑刺激通常基于该疾病固有的固有异常局部场电位 （LFP）¹³。