精准、实时、特异性—大小鼠脑内神经化学物质检测的优选方案

2023-11-22 14:56:55, 上海玉研

相关背景

脑科学是目前国际前沿科技的热点研究领域之一，对脑功能的研究有助于理解人类认知、情感等复杂生理过程的本质，以及神经系统疾病的形成和发展规律。脑神经信号的传递以及代谢过程都离不开化学物质的参与，因此，针对脑内神经递质、能量代谢物质、自由基、离子等诸多神经化学物质开展脑神经分析化学研究，对于探索和认识神经生理、病理的分子机制，都具有极其重要的意义。

随着近几年脑科学研究的发展，脑内神经化学信号的原位精准分析逐渐受到神经科学和分析化学等领域的高度关注。大小鼠作为经典的脑科学研究模式生物，被广泛应用于脑神经化学研究领域，是脑科学研究的重要工具。

针对大小鼠脑内神经化学物质的检测，上海玉研科学仪器有限公司倾力推荐美国Pinnacle公司的生物CNS生物传感器系统和快速扫描循环伏安法(FSCV)检测系统。

CNS生物传感器系统

CNS生物传感器系统用于在大小鼠清醒自由的状态下实时监测其脑内神经化学物质的秒级浓度变化，包括谷氨酸、葡萄糖、乳酸和乙醇等。

生物酶传感器（Biosensors）采用酶介导氧化还原原理检测 CNS活性物质浓度，分析物通过与生物酶反应产生 H2O2，然后通过Pt-Ir 电极检测产生H2O2含量，从而计算获得相应 CNS 活性物质浓度。机体存在的电活性干扰物质会通过选择性生物膜清除从而降低实验干扰。该检测系统具有反应迅速、特异性高、实时精确的优点。

产品特点：

线性反应（Linear Response）: 各生物传感器在活性物质生理相关浓度范围内具有良好的线性反应关系；

高特异性（High Specificity）: 各种内源电活性干扰物质均能够被有效屏蔽，特异性高；

快速响应（Fast Response）: 生物化学物质浓度变化响应时间在秒级范围内，真正达到实时检测。

谷氨酸传感器线性度

谷氨酸传感器干扰反应

应用领域：

·在体监测动物脑内微环境中化学物质的浓度变化；

·动物行为和生理活动中的神经化学监测；

·药物筛选，如药物神经药理学效应；

·生物标记物的鉴定识别；

·研究认知、行为、昼夜周期、压力、学习、记忆、睡眠、癫痫发作、警惕状态和药物效果等。

图为在C57小鼠前额叶皮质中记录谷氨酸的浓度变化。腹腔注射MK-801((0.18mg/kg)后作为第0分钟标记，通过记录产生的电流信号大小评估谷氨酸浓度的准确值。

CNS生物传感器系统分为有线式系统和无线式系统两种：

①有线式生物传感器系统采用头戴式前置放大器设计，通过连线的方式传输神经化学浓度的变化信号，可同时在一只动物体内测量多达两个生物活性物质浓度，并且可搭配脑电/肌电采集系统或光遗传学系统为啮齿动物神经生理学研究提供了一站式解决方案。

②无线式生物传感器系统使用蓝牙技术，通过 USB 加密狗将数据无线传输到 Sirenia®数据采集软件，该系统是一个高容量生物传感器研究平台，非常适合于同步进行行为实验。

有线式

无线式

实验人员可以将有线式生物传感器与脑电肌电（EEG/EMG）采集系统和光遗传系统相结合，在检测脑内神经化学物质浓度的同时采集脑电肌电和进行光遗传学实验，以探究特定化学物质与脑电、光遗传学之间的联系。

图为谷氨酸浓度随癫痫样EEG活动的变化情况。Stim ON表示20秒的光遗传诱导癫痫发作期（n=11个癫痫事件，条形表示SEM）

无线式系统因其没有连线的限制，动物自由活动度更大，非常适合于Y迷宫、高架十字迷宫和悬尾实验等一系列行为学研究，在探究动物行为和认知的同时检测脑内不同化学物质的释放情况，阐明神经化学物质的作用机制和行为学作用。

快速扫描循环伏安法（FSCV）检测系统

快速扫描循环伏安法(fast scan cyclic voltammetry, FSCV)旨在帮助用户简化儿茶酚胺和其他电活性分析物的检测和定量过程，具有较为精确、实时、特异性较高的优点，适用于大小鼠活体原位检测脑内神经递质的释放。该方法具有很高的时空分辨率，可以在微米级空间尺度上实现毫秒级的快速分析，可根据不同物质氧化还原过程对电极伏安曲线峰值的差异实现对多种物质的分析。

Pinnacle推出的FSCV系统通过用户自定义不同波形的电压扫描的方式，专门用于在体检测脑内儿茶酚胺类神经递质（多巴胺、5-羟色胺、去甲肾上腺素和腺苷等）的浓度变化。

FSCV系统的工作原理是在大小鼠脑内植入的碳纤维电极进行快速循环的电压扫描后，其尖端会产生相应的氧化电流，根据每种神经递质的电化学特性，其在特定的电压下会产生峰值电流，通过测量峰值电流的大小变化，就能检测出儿茶酚胺类神经递质（多巴胺、五羟色胺、去甲肾上腺素和腺苷等）在脑内释放的浓度变化。FSCV 系统可以在研究动物行为学的同时进行亚秒级别的实时神经递质释放记录。用户可通过自定义设置采样频率范围/电压范围（-0.6 to +1.5 V之间）来进行快速循环的电压扫描。可另选配电刺激模块进行刺激条件下的神经递质记录。

产品特点：

·泛用性广：单根电极可测多种神经递质；

·良好的空间分辨率：碳纤维电极尖端直径34μm（另有7μm可选）去甲肾上腺素羟色；

·良好的时间分辨率：能够消除其他化学物质种类的干扰；

·快速的采样频率：5 to 10 sweeps/second；

·良好的特异性：精确检测儿茶酚胺类神经递质物质。

软件功能：

·背景消除算法

·3D 可视化图形去甲肾上腺素

·用户可选滤波器

· 数据导出功能

· 兼容同步视频采集

· 自定义扫描波形

· 实时彩色数据图表

Pinnacle提供具有良好空间分辨率的碳纤维电极（CFS）来进行大小鼠脑内儿茶酚胺类神经递质释放的记录。碳纤维电极尖端直径 34µm/7µm，其内芯包裹在硅制外壳中，伸出外壳的0.5mm用于脑内的记录。

最新推出的葡萄糖酶修饰的碳纤维电极（EM-CFEs）可使用单个电极实时监测多种分析物浓度的亚秒级变化。葡萄糖氧化酶包裹在水凝胶基质中，允许使用快速扫描循环伏安法同时检测非电活性物种（葡萄糖和多巴胺）。

FSCV系统同样也分为有线式系统和无线式系统两种：

①有线式大小鼠 FSCV 神经递质监测

该系统包含一个头帽式的信号放大器，用于 FSCV 信号的放大；一个低扭矩的转向器，方便大小鼠在清醒状态下自由活动；一个 FSCV 信号采集模块与电脑端相连接，将数据实时的传输到电脑端中，其结果可在软件中进行回看和分析。可配合外界电刺激模块同步记录。

②无线大鼠FSCV神经递质检测系统

用于大鼠在迷宫和密闭环境下进行 FSCV 法神经递质的监测，例如气体代谢监控和开场、高架迷宫等行为学实验。该系统通过一个头戴式的蓝牙系统将信号数据传输到电脑中进行记录，数据采集速度可达到 5 sweeps/s， 1000points/sweep。电池易于更换且可以满足实时信号记录的要求。

多巴胺氧化和还原的 FSCV 3D 彩色图。绿色峰（左）是当前对多巴胺氧化的反应图。蓝色峰（右）是将多巴胺邻醌还原为多巴胺响应变化图。

美国Pinnacle公司在大小鼠脑科学领域特别是在脑内神经化学物质检测研究方面秉持开拓创新的生产理念，持续不断地开发和完善大小鼠脑内神经活性物质检测技术，以助力广大科研工作者在脑科学研究领域取得新的科研突破。上海玉研仪器科学有限公司长期与Pinnacle公司保持友好合作关系，为国内外研究者带来技术创新福音。

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