實驗方案

將微電極傳感器推進到LGN或視覺皮層，直到在神經(jīng)電極上識別出視覺驅(qū)動的細胞外電位。神經(jīng)信號在0.3到10 kHz之間濾波，并通過設(shè)置一個高于背景噪聲約2個標準差的閾值在線區(qū)分動作電位。該信號反映了距離傳感器尖端幾百微米以內(nèi)的一組神經(jīng)元的集體放電率。這里我們將此信號稱為多單元神經(jīng)活動。對于視覺皮層的記錄位點，最初根據(jù)其時間波形的形狀區(qū)分來自不同單元的信號，但在數(shù)據(jù)分析過程中隨后將它們相加。給定記錄位點的所有單元通常表現(xiàn)出非常相似的方位調(diào)諧。

對于每個記錄位點，進行初步測試以找到最佳的感受野特性。選擇具有清晰的刺激誘導神經(jīng)響應(yīng)和基線氧信號中自發(fā)振蕩小的記錄位點進行進一步研究。大約25%的潛在記錄位點因組織氧的基線大幅振蕩而被跳過。這些振蕩的確切起源尚不清楚，但我們推測它們歸因于CBF的改變。在LGN中，振蕩頻率通常較高，并且似乎與動物的呼吸頻率相關(guān)。這兩個腦區(qū)的振蕩都限制了記錄的氧響應(yīng)的信噪比，但我們能夠通過對同一刺激條件的多次試驗進行平均來減少它們的影響。

在RF內(nèi)和周圍呈現(xiàn)不同視覺刺激時，連續(xù)測量神經(jīng)和氧信號。視覺刺激由在灰色背景上單眼呈現(xiàn)4秒的漂移正弦光柵組成。實驗中的所有刺激條件隨機交錯，并根據(jù)氧響應(yīng)的信噪比重復16到80次。刺激間隔隨機化，以避免可能與上述振蕩同步。

LGN。 從總共34個LGN記錄位點獲得氧和神經(jīng)測量。對于每個記錄位點，通常執(zhí)行兩個實驗。第一個實驗對所有34個記錄位點進行，包括七個或八個刺激條件。在四個條件中，將不同大小的漂移光柵刺激定位在優(yōu)勢眼的RF上。在另外三個條件中，呈現(xiàn)一個大視野光柵，并在RF上放置一個平均亮度斑塊。該斑塊的大小各不相同。最后一個刺激條件包括向非優(yōu)勢眼呈現(xiàn)大視野光柵。在所有情況下，未受刺激的眼睛觀看平均亮度的灰色屏幕。所有光柵都針對空間和時間頻率進行了優(yōu)化，并以100%對比度呈現(xiàn)。對于34個記錄位點中的25個，在第一個實驗結(jié)束后立即開始第二個實驗。在此實驗中，小光柵刺激的位置相對于RF中心發(fā)生變化。刺激位置以約0.3°的步長變化，以改變神經(jīng)激活的位點相對于傳感器的位置。對于這兩個實驗，我們每2小時重新映射RF的位置，如果發(fā)現(xiàn)任何位置變化，則相應(yīng)地調(diào)整所有刺激的位置。在某些情況下，由于微小的眼動或電極漂移，RF中心在記錄期間移動了多達0.5°。

視覺皮層。 從后側(cè)回內(nèi)側(cè)銀行的總共21個記錄位點獲得氧和神經(jīng)測量。確定最佳刺激屬性，然后執(zhí)行單個實驗。選擇五到六種不同的光柵方位來充分采樣記錄位點的方位調(diào)諧曲線。每個刺激的大小略大于RF。方位包括最佳、正交以及其他方位，以對調(diào)諧曲線的兩側(cè)和翼部進行采樣。向最佳和非最佳眼呈現(xiàn)兩個額外的大視野光柵。所有光柵均以50%對比度呈現(xiàn)。

數(shù)據(jù)分析

多單元神經(jīng)響應(yīng)以每段刺激時間直方圖顯示，箱寬為133毫秒。通過從每個響應(yīng)中減去基線信號，然后平均，去除氧信號中的低頻漂移。然后將氧響應(yīng)在相同的刺激條件下平均，并除以給定記錄位點的平均氧水平。為了解釋傳感器引起的實際和測量氧變化之間的小延遲，我們將每個傳感器的脈沖響應(yīng)函數(shù)與每個測量的氧響應(yīng)進行解卷積。通過將組合傳感器的尖端從空氣快速轉(zhuǎn)移到高氧濃度的鹽水浴中，誘導氧濃度的階躍變化，從而確定氧傳感器的IRF。在傅里葉域中進行解卷積，將每個傅里葉變換后的氧響應(yīng)除以傳感器IRF的傅里葉變換。在除法之前，對氧響應(yīng)進行低通濾波以去除高頻噪聲。最后，對結(jié)果進行逆傅里葉變換以獲得調(diào)整后的氧響應(yīng)。此調(diào)整的效果是將每個氧響應(yīng)在時間上向后移動約0.5秒，并將其幅度增加約7%。關(guān)于氧響應(yīng)空間特性的結(jié)果基本不受此調(diào)整的影響。

我們對神經(jīng)和氧響應(yīng)之間空間關(guān)系的分析要求我們考慮傳感器視野之外的神經(jīng)響應(yīng)。為此，我們基于已發(fā)表的視網(wǎng)膜拓撲圖構(gòu)建了貓LGN的三維計算機模型。我們將這些地圖掃描成數(shù)字格式，并使用圖形軟件在每個地圖上繪制網(wǎng)格。對于網(wǎng)格中的每個點，我們通過目視估計視網(wǎng)膜拓撲坐標和解剖學信息，并以矩陣形式存儲信息。視網(wǎng)膜拓撲點以0.24 x 0.24 x 0.5毫米的空間分辨率采樣，并插值和平滑到0.12 x 0.12 x 0.18毫米的分辨率。我們使用此模型將電極、RF和刺激的位置從視野坐標轉(zhuǎn)換為LGN組織坐標。該坐標系中電極的位置是根據(jù)神經(jīng)元的優(yōu)勢眼和RF位置估計的，這是我們從神經(jīng)測量中確定的。然后根據(jù)每個視覺刺激的形狀估計神經(jīng)活動的空間模式。我們假設(shè)LGN中的某個位置在其視網(wǎng)膜拓撲坐標與視覺刺激的高對比度部分重疊時是活躍的。否則，我們假設(shè)它是不活躍的。在此上下文中，“活躍”意味著神經(jīng)活動在刺激呈現(xiàn)期間增加。

結(jié)果

對照實驗

為了正確解釋使用我們的微電極傳感器獲得的測量結(jié)果，有必要評估氧信號對電勢變化的敏感性。我們在兩個對照實驗中進行了此項評估。在第一個實驗中，我們使用函數(shù)發(fā)生器和外部電極在鹽水浴中誘導一系列短暫的電勢。電勢的幅度比通常在體內(nèi)觀察到的幅度大一個數(shù)量級以上。為了模擬神經(jīng)響應(yīng)，我們在用微電極傳感器記錄的同時快速增加電勢的頻率。即使有這種強勁的頻率變化，也未觀察到氧信號的顯著變化。

圖1. 顯示氧氣與神經(jīng)電極無相互作用的對照數(shù)據(jù)。A，在0.9%生理鹽水中進行的體外對照實驗。通過向液槽通入5%氧氣和95%氮氣建立基線氧信號（約40 pA），該信號值與體內(nèi)觀察到的典型值一致。使用函數(shù)發(fā)生器誘導電勢（方波，+5V，0.5ms持續(xù)時間）以模擬神經(jīng)活動。電勢頻率（灰色填充）在4秒內(nèi)從1Hz增至100Hz，氧信號（黑色）未受此變化影響。所示響應(yīng)為八次試驗的平均值。垂直標尺：左側(cè)110峰/秒；右側(cè)1%氧濃度變化。B，在貓外側(cè)膝狀體（LGN）進行的體內(nèi)對照實驗，氧傳感器極化電壓設(shè)定為0V。采用小型漂移光柵刺激（2°，100%對比度）誘發(fā)神經(jīng)響應(yīng)。神經(jīng)響應(yīng)（灰色填充）與氧響應(yīng)（黑色）為八次試驗的平均值。虛線表示在同一記錄位點以標準極化電壓（-0.8V）記錄的正常氧響應(yīng)。垂直標尺：左側(cè)80峰/秒；右側(cè)4%氧濃度變化。各圖表中陰影區(qū)域表示誘導電勢的作用時段。

在第二個對照實驗中，我們對貓的LGN進行了氧和神經(jīng)信號的體內(nèi)測量。通過將小漂移光柵刺激定位在記錄神經(jīng)元的RF上來誘導神經(jīng)活動的強勁變化。正如之前的測量所預(yù)期的那樣，該刺激引起了氧信號的負向變化。接下來，我們?nèi)コ搜鮽鞲衅鞯臉O化電壓。這使傳感器對氧氣不敏感，但沒有將其從電路中移除。在沒有極化電壓的情況下重復相同的實驗，負向氧響應(yīng)消失，但神經(jīng)信號不受影響。這些對照程序表明，我們的傳感器測量的氧信號不受活動神經(jīng)元誘導的電勢的快速變化的直接影響。