麻醉-觉醒转换是临床外科手术精确麻醉的基础，这一过程涉及脑深部核团与皮层的共同参与，但目前尚缺乏高时空分辨、多脑区同步的神经活动记录手段。该论文工作通过将微电极阵列神经探针与宽视场显微镜结合，突破了脑深部屏状核（CLA）与皮层钙成像神经信息的大范围、高分辨同步探测技术，发现小鼠麻醉-觉醒转换过程中CLA与皮层神经信息的同步变化规律。在深度麻醉阶段，个别神经细胞产生簇状放电，与场电位麻醉爆发抑制波中的爆发阶段具有良好对应关系，该结果可为麻醉爆发抑制现象的微观细胞机制提供证据。
中文题目：脑深部与皮层神经信息高分辨光电同步探测发现麻醉-觉醒转换神经活动规律
英文原题：Simultaneous recording of neuronal discharge and calcium activity reveals claustrum-cortex neurosynchrony under anesthesia
通讯作者： 蔡新霞，中国科学院空天信息创新研究院
戴琼海，清华大学
曹江北，中国人民解放军总医院
第一作者：范鹏辉，中国科学院空天信息创新研究院
张汝金，中国人民解放军总医院
肖桂花，清华大学
关键词：微电极阵列；电生理；神经同步性；麻醉；钙成像
背景介绍
CLA是与睡眠/麻醉-觉醒和意识相关的重要脑区，其与大脑皮层之间存在广泛的神经纤维投射关系，但这两个脑区之间如何协同作用仍是未解之谜。目前，基于微电极的神经电生理检测技术具有高时空分辨率，可实现脑深部神经细胞动作电位记录，而钙成像技术允许在脑表面大范围内记录神经活动荧光信号，但受成像仪器限制，其检测范围和时空分辨率通常相互制约。为了探究睡眠/麻醉引起意识丧失过程中脑深部CLA和皮层神经细胞之间的关联，该研究采用梯度浓度吸入麻醉的方法建立小鼠模型，结合电、光两种神经记录手段，对小鼠CLA和皮层神经细胞信息活动进行了同步记录（图1）。
图1 脑深部电生理与皮层钙成像神经信息同步记录研究成果
1. 高时空分辨微纳电极阵列神经探针
在国家自然科学基金交叉重大项目的支持下，该论文基于微电子机械系统（MEMS）工艺研制了硅基微纳电极阵列神经探针（图2a）。探针采用三明治结构，长度6 mm，宽度500 μm，其表面的微电极检测位点直径15 μm。微电极采用铂纳米颗粒和导电聚合物PEDOT进行了改性修饰（图2b），界面阻抗为29.8±3.4 kΩ@1 kHz，相位延迟为-16.2°±0.85°，表明电极具有优异的电学性能（图2c-d）。这种神经探针可在脑深部记录到单细胞水平神经动作电位脉冲信号spike，并且可以在体内正常工作100天以上。
图2 微纳电极阵列神经探针实物图和电学性能表征。（a） 神经探针及其接口实物照片；（b）修饰微电极位点显微镜图像；（c）微电极阻抗谱；（d）微电极频率响应特性奈奎斯特图；（e）电极记录到的神经细胞动作电位Spike。
2. 脑深部电生理与皮层钙成像同步记录
图3显示了不同麻醉剂浓度下小鼠CLA神经元电生理、皮层神经元钙荧光信号的动态同步变化。随着吸入麻醉浓度升高，CLA神经元Spike放电频率逐渐降低，直到消失。相反，当麻醉浓度降低时，Spike频率逐渐增加（图3b）。图3c所示为CLA场电位LFP信号，当麻醉浓度逐渐增加到1.2%时，LFP的振幅显著增大。随着麻醉浓度持续增加，将出现明显的爆发抑制波（图3c底部LFP局部放大图）。
在皮层神经活动钙荧光亮度（CFB）方面，一些皮层神经元在低麻醉浓度下（0.5%和0.8%）被显著激活，这可能是由于低剂量麻醉对大脑皮层的刺激。随着麻醉浓度增加，皮层神经元钙信号减弱，神经活动逐渐受到抑制（图3d）。当吸入麻醉浓度升高至1.6%时，神经活动抑制程度已达到最大，这可归因于麻醉的累积效应。
图3 CLA神经元电生理和皮层神经元钙信号同步变化。（a） 吸入麻醉浓度梯度变化范式；（b）神经探针在CLA记录到多通道神经细胞放电Spike信号；（c）多通道场电位LFP信号；（d） 皮层1168个神经元钙荧光信号热图。
3. 麻醉觉醒光电神经信息同步分析
对不同麻醉浓度下神经活动进一步分析，发现伽马频段（50~100Hz）的LFP功率与皮层钙信号亮度变化具有相似性（图4a，b）。图4c与4d分别显示了CLA神经元平均Spike放电率和钙离子荧光发放率。通过对不同麻醉浓度下CLA中的LFP功率和皮层神经元钙荧光亮度进行拟合（图4e），发现两者之间存在强相关性，线性拟合系数为0.94。此外，该研究分析了CLA多通道LFP之间的相关性，发现在高麻醉浓度下，LFP同步性更高。而对于皮层神经元来说，情况正好相反。在最高麻醉浓度下，皮层神经元之间的相关性最低（图4f）。
图4 不同麻醉浓度下CLA电生理信号和皮层钙信号分析。（a） 不同麻醉浓度下LFP在伽马频带的功率；（b） 不同麻醉浓度下皮层神经元平均钙荧光亮度（CFB）；（c） 神经元动作电位Spike发放率率；（d） 不同麻醉浓度下Ca2+荧光尖峰发放率；（e） CLA神经元LFP功率与皮层神经元钙荧光亮度（CFB）的拟合曲线；（f） 不同麻醉浓度下CLA神经活动同步性和皮层神经活动同步性。
4. 深度麻醉下神经元簇状放电与爆发抑制波协同作用
爆发抑制率（BSR）是衡量麻醉程度的经典指标，其定义为抑制波持续时间占总时间的比例。论文计算了实验中不同吸入麻醉浓度下CLA脑区的爆发抑制率。如图5所示，在前期吸入麻醉浓度逐渐增加的阶段，BSR迅速增加，而在后期吸入麻醉浓度逐渐降低时，BSR缓慢下降，这表明进入麻醉状态比从麻醉中恢复更快。
图5 不同吸入麻醉浓度下CLA脑区爆发抑制率爆发抑制的产生是由于深度麻醉期间单个神经元的超极化。利用微电极阵列，检测到了深度麻醉期间继续放电的神经元，这些神经元spike放电的时间与爆发抑制期爆发波出现的时间相一致。图6展示了在不同吸入麻醉浓度下3个神经元的动作电位放电序列和3个通道的LFP波形。从图中可以看出，在深度麻醉下，spike放电变得稀疏，形成簇状放电模式，神经元1和神经元2的spike簇状放电时间与LFP的爆发波相对应。这可能反映了麻醉期间微观spike和LFP之间的协同效应。该结果也可为麻醉爆发抑制现象的微观细胞机制提供证据。
图6. (a)-(g)不同吸入麻醉浓度下的spike放电序列和LFP波形，粉红色阴影区域表示spike和LFP爆发波同时出现。(h) 神经元1-3的平均动作电位波形。
未来方向
高时空分辨率、多脑区、大范围的神经信息记录是神经科技的重要发展趋势。未来将研制柔韧性、透明度更好的柔性微电极阵列，与宽场钙成像结合，对脑深部核团电生理、神经递质与皮层大范围神经元间的协同关系进行进一步研究。
主要作者简介
蔡新霞 中国科学院空天信息创新研究院传感技术国家重点实验室二级研究员，国家杰出青年科学基金获得者，“微纳传感技术”创新研究群体学术带头人。主要从事重大交叉任务“睡眠-觉醒脑神经电活动高分辨感测与电刺激方法研究”等微纳生物传感器与系统基础技术研究。
戴琼海 清华大学教授，中国工程院院士。长期致力于介观活体荧光显微成像技术研发及其在生物医学领域的应用研究，主持承担了科技部重大基础研究973项目和国家基金委重大仪器项目，成功研制了多维多尺度计算摄像仪器，成为脑科学研究的重要利器。
曹江北 中国人民解放军总医院第一医学中心麻醉外科副主任，主任医师，教授，博士生导师。他的主要研究兴趣包括围手术期器官功能的保护，特别是中枢神经系统功能调节和保护。
范鹏辉 博士，毕业于中国科学院空天信息创新研究院传感技术国家重点实验室。他的研究兴趣包括微电极制造和神经电生理、电化学检测。
张汝金 中国人民解放军总医院第一医疗中心麻醉科住院医生。她目前的研究兴趣包括麻醉的神经机制和神经影像学。
肖桂花 清华大学助理研究员，博士毕业于中国科学院空天信息创新研究院传感技术国家重点实验室。她的研究兴趣包括大规模神经活动探测和意识的生物学基础研究。
引用本文
Penghui Fan, Rujin Zhang, Guihua Xiao et al., Simultaneous recording of neuronal discharge and calcium activity reveals claustrum-cortex neurosynchrony under anesthesia, Fundamental Research, doi.org/10.1016/j.fmre.2023.12.012.
原文链接（复制到浏览器中查看）：
https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S266732582400030X
