多电极记录家兔脊髓电生理信号的实验研究

【摘要】  目的：研究利用插入式微电极对家兔脊髓电生理信号进行长时间稳定记录、采集的技术方法，初步分析描述电信号的特征。方法：以家兔作为实验对象，在其脊髓内插入多电极，利用神经信号处理系统采集记录中枢神经电信号，利用相关软件初步分析所记录的神经电信号。结果：可长时间采集记录到脊髓内复合型中枢神经电信号。结论：插入式电极在家兔脊髓能稳定记录到中枢神经电信号，为植入式微电极阵列在中枢系统特别是脊髓内的长期植入记录建立一定的实验基础。

【关键词】  电极；脊髓；电信号；脊髓损伤；家兔

    [Abstract]   Objective: To investigate the long-time recording technology of electrophysiological signals from spinal cord in rabbits. Methods: Microelectrodes were plugged in the spinal cord of rabbits. Then the electrophysiological signals were recorded by cerebus system. Results: The electrophysiological multi-signals were recorded in spinal cord successfully. Conclusion: The electrophysiological signals from spinal cord can be recorded stably, which provides the experimental technology for the recording with microelectrode array.

    [Key words]   Electrode; Spinal cord; Electrophysiological signal; Spinal cord injury; Rabbit

    脊髓损伤(spinal cord injury, SCI)是一种严重的神经系统损伤,对受害者是灾难性的事故。据报道，我国每年大约有5万例患者因各种原因引起的脊髓损伤而致残[1]。脊髓损伤因损坏了脊髓神经传导束，损伤平面以下仍存活的脊髓神经细胞失去了大脑的神经支配，不能进行随意性的活动。脊髓损伤后随意运动功能的恢复，很大程度上取决于脊髓神经传导束的轴索再生，及其与脊髓前角运动神经元直接或间接的结构与功能联系的重建。

    脊髓损伤后的脊髓神经传导束轴突再生与功能重建是世界性的医学难题。临床对脊髓损伤的，在减轻继发性损伤、减少并发症的基础上，采用移植修复、分子干预、免疫治疗、转基因治疗及组织工程修复等方法促进脊髓再生与修复。目前，这些治疗方法存在诸多局限性，效果也不理想。在重建脊髓与大脑的神经通路方面，尤其是皮质脊髓束的功能重建，虽然实验研究取得了令人鼓舞的结果，然而尚没有临床成功应用的报道[2，3]。随着微电极技术的，脑-机接口技术（brain-machine interface, BMI）的研究报道也日益增多，这项技术通过实时采集大脑皮层各区神经元相应运动时的电生理信号，经分析解码实时控制机器臂等外接功能装置实现部分机体功能的重建[4]；在脊髓损伤处植入微电极芯片，采集分析大脑皮层发出的运动控制信号，整合处理后输出到下行通路从而实现机体功能的重建是目前研究的热点方向[5]。本研究在以往成功采集大鼠大脑皮层和脊髓电生理信号的基础上探索家兔脊髓电生理信号的采集记录方法，分析描述电信号的特征，从而为植入式微电极阵列的采集记录方法建立一定的实验基础，为将来进一步研究脊髓损伤修复与功能重建提供有价值的神经电生理基础资料。

    1   材料和方法

    1.1   主要仪器   128道神经信号处理系统（cerebus-system，美国），立体定位仪（江湾I型，上海）,多电极（自制），参比电极、接地电极、连接线等。

    1.2   动物手术及实验方法   2000~2500 g家兔（南通大学实验动物中心提供），雌雄不拘。动物经静脉用乌拉坦（1 g/kg）麻醉后固定于立体定位仪，取背正中切口，切除T7~T8处椎板，注意勿伤及硬脊膜，暴露脊髓约1 cm长，用显微镊挑开硬脊膜，暴露脊髓。正中偏右斜向（75°）插入多电极（插入深度为1.0~1.5 mm）。放好参比电极及接地电极后进行记录。

    1.3   机信号处理   采用cerbus system长时间记录电信号。进行有效阈值调节，获取去干扰电信号，进行组合波的纯化分离，频率、幅度、波长等分析处理。

    2   结      果

    2.1   家兔脊髓T7~T8处放电信号多电极观察   将多电极（含１０根微电极）小心地插入脊髓，电信号经cerebus system采集记录（采样频率30 kHz/s，前置放大器放大倍数5000，高通滤波250 Hz，低通滤波7.5 kHz，有效阈电位选择为-120 μV）。观察记录窗口的扫描波形，适当调整记录电极的深度，直至记录窗口出现大于阈电位的放电波形，利用记录系统软件提供的色标,以不同颜色区分不同记录波形,将记录窗口不同的叠加波形分别显示于各子窗口。实时观察信噪比（signal noise ratio， SNR）的大小，当稳定的SNR值＞2.5时记录采集放电信号。可记录到9道（有一道无有效信号）放电信号波形（图１），经cerebus系统软件分别将9道信号加以分离显示，可见多种独立的双向放电波形（图２）。其幅值为250±25 μV，波长为1.1±0.1 ms。

    2.2   家兔脊髓电信号的初步分析   利用软件作波形扫描图,可见同一通道（一根电极）采集到的电信号波形扫描图（图3）。横向拉大时间窗，可见较为清晰的连续放电信号波形（图4）。经用软件分离同一通道不同放电单位后，可见所记录到的各通道叠加脉冲扫描图（图5）。利用软件，对同一通道分离后的两种放电波形作自发放电频率分析，在所记录的时间单位内其放电呈较为稳定的持续自发放电（图6）。

    3   讨      论

    脊髓损伤是人类致残率较高的疾患之一，其导致的运动传导束功能障碍，引起损伤平面以下的所有功能失去大脑的调节与支配，导致上运动神经元损伤，出现痉挛性瘫痪（硬瘫）症状，累及范围较大[6]。因此，恢复或重建脊髓各传导束的功能，意义重大。尽管细胞移植、桥接等方法能使轴突部分再生[7]，但其功能恢复是相当有限的。BMI技术的应用为SCI患者机体功能的重建提供了重要手段。目前在控制和运动信号的采集、数据解码和命令输出各环节的研究初有成效[8~12]，这将使SCI患者由“想”变为“行动”成为可能[13]。本实验采用cerebus 神经信号采集处理系统，利用自制的记录电极可在家兔脊髓束内较长时间稳定地记录到较为稳定的百微伏级神经电信号，利用神经信号分析软件对电信号进行了初步分析，取得了较直观的实验结果，为将来植入式微电极陈列的应用提供了实验技术基础。

    本实验在家兔脊髓束内记录到各通道两种独立双向波型，提示在电极尖端处应有两个放电单位被同时记录到。本实验是在动物麻醉状态下进行的，随着时间变化，麻醉程度的不同，发现所记录到的信号发放频率、幅度有较大差异。因此，动物在非麻醉状态下脊髓电信号的采集分析有待进一步研究。对于所记录到的神经电信号波形的进一步统计分析，从而解释相应的机体运动行为与中枢放电之间的精密关系等研究也需进一步探索。

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