行為神經(jīng)科學(xué)研究存在兩項(xiàng)關(guān)鍵需求：一是對大規(guī)模神經(jīng)群體活動(dòng)進(jìn)行長時(shí)間記錄，二是記錄動(dòng)物自然狀態(tài)下的行為。近年來，行為追蹤和量化技術(shù)取得了重大進(jìn)展，電生理記錄、光學(xué)成像以及神經(jīng)集群驅(qū)動(dòng)技術(shù)的進(jìn)步，使得活動(dòng)狀態(tài)下的動(dòng)物神經(jīng)記錄成為現(xiàn)實(shí)。然而，記錄設(shè)備的重量和電池壽命嚴(yán)重限制了自然活動(dòng)和長時(shí)間記錄的能力。

近期，麻省理工學(xué)院腦與認(rèn)知科學(xué)系研究人員研發(fā)了一種開源的數(shù)據(jù)采集平臺(tái)，ONIX系統(tǒng)。ONIX具備卓越的數(shù)據(jù)吞吐量和極低的閉環(huán)延遲，能實(shí)時(shí)追蹤三維空間中的頭部位置與旋轉(zhuǎn)，且支持多種數(shù)據(jù)源。該系統(tǒng)能長時(shí)間記錄在三維地形中自由活動(dòng)的小鼠，極大地提高了實(shí)驗(yàn)的靈活性和數(shù)據(jù)采集的全面性，為高質(zhì)量神經(jīng)活動(dòng)的采集提供了強(qiáng)大的技術(shù)支持。相關(guān)研究成果于2024年11月11日發(fā)表于《Nature Methods》期刊。

結(jié)果

研究人員開發(fā)了一個(gè)開源的多儀器硬件標(biāo)準(zhǔn)和應(yīng)用編程接口API，稱為開放神經(jīng)接口ONI。并基于此構(gòu)建了模塊化、可擴(kuò)展的數(shù)據(jù)采集與行為追蹤系統(tǒng)“ONIX”，有效減少了大規(guī)模神經(jīng)記錄對小鼠行為的影響。系統(tǒng)采用輕薄的微同軸采集線（圖1c），顯著減輕了對動(dòng)物頭部的力（圖1d）。

Fig1. a, ONI的簡化框圖。多個(gè)設(shè)備通過單根微型同軸電纜和主機(jī)PC通信。b, 集成的九軸絕對方向傳感器和3D追蹤冗余測量動(dòng)物旋轉(zhuǎn)，無需測量采集線扭矩即可驅(qū)動(dòng)電動(dòng)交換機(jī)，從而實(shí)現(xiàn)長時(shí)間的記錄。c , ONIX 微型同軸采集線，與標(biāo)準(zhǔn) 12 線數(shù)字采集線相比，厚度僅為 0.31 毫米。d, 采集線對動(dòng)物頭部施加的扭矩。e, ONIX的性能: 使用 64 通道headstage，從神經(jīng)電壓讀數(shù)到主機(jī) PC，再返回headstage。

首先，ONIX系統(tǒng)通過小型電機(jī)自動(dòng)解開采集線，無需測量扭矩，從而避免了傳統(tǒng)采集線記錄的行為影響與時(shí)間限制，實(shí)現(xiàn)了神經(jīng)活動(dòng)和行為監(jiān)測的長時(shí)間記錄（圖2和圖3）。其次，采集線負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)傳輸（150?MB/s，相當(dāng)于2,500通道的神經(jīng)信號）及設(shè)備供電。ONIX包含模塊化、微型化的頭部接口設(shè)備（圖1和圖4），支持無源電記錄探針、電極驅(qū)動(dòng)器（Intan RHD和RHS芯片）及Neuropixels探針。此外，頭部接口通過板載傳感器以約30?Hz記錄頭部六自由度（6 d.f.）姿態(tài)，具備2°角度分辨率和亞毫米級位置精度，基于絕對角度傳感器和消費(fèi)級三維追蹤系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)。

Fig2. a, 實(shí)驗(yàn)概述。小鼠在由不同高度的發(fā)泡塑料塊制成的3D場地中自由探索。b, 未植入設(shè)備、帶有標(biāo)準(zhǔn)采集線（頂部）或ONIX微同軸（底部）的小鼠使用多攝像頭、無標(biāo)記姿態(tài)估計(jì)方法進(jìn)行3D追蹤。c, 在記錄過程中頭部偏航和俯仰角度的分布。d, 記錄過程中的速度分布。e, 記錄過程中鼠標(biāo)軌跡的二維投影。

Fig3. a,在長達(dá) 7.3 小時(shí)的 ONIX 錄像中，小鼠自由探索 3D 場地時(shí)，headstage上 3D 跟蹤傳感器的位置。b, 跳躍的視頻幀。c，記錄第 1 小時(shí)（頂部）和第 7 小時(shí)（底部）兩個(gè)通道的原始電壓和尖峰振幅。d, 整個(gè)記錄期間的三維位置、朝向和放電率。e, 跳躍附近的數(shù)據(jù)，與d數(shù)據(jù)相似。f, 跳躍期間，71個(gè)神經(jīng)元的z位置、原始電壓軌跡示例和分類后的尖峰。

長期神經(jīng)生理學(xué)與自由行為研究

隨后，研究人員測試了ONIX系統(tǒng)在自由活動(dòng)的小鼠中持續(xù)長時(shí)間的神經(jīng)信號記錄能力。植入微型驅(qū)動(dòng)器的小鼠在1.5?×?1.5?×?0.5米的三維競技場中自由探索，包括跑動(dòng)、攀爬和跳躍（圖2、圖3）。

l采集線對行為的影響比較：為對比ONIX與傳統(tǒng)采集系統(tǒng)對行為的影響，研究人員將標(biāo)準(zhǔn)采集線（Intan SPI）與彈性帶平衡以消除重量差異，并與ONIX微同軸采集線交替使用（圖2e）。盡管標(biāo)準(zhǔn)采集線通過零扭矩?fù)Q向器減少了部分機(jī)械負(fù)擔(dān)，但其施加的額外力（圖1d）仍顯著限制了小鼠的自由探索和頭部運(yùn)動(dòng)自由度（圖2c-e）。與一些數(shù)字采集線（如Neuropixels的雙絞線或Miniscope的同軸電纜）相比，ONIX微同軸采集線重量更輕、靈活性更高，并且提供零扭矩?fù)Q向功能，避免了行為限制和縮短了記錄的時(shí)間。

l自然行為下的對比驗(yàn)證：為驗(yàn)證ONIX與未植入探針條件（對照組）的差異，研究人員通過五臺(tái)攝像機(jī)對對照組小鼠進(jìn)行了無標(biāo)記三維追蹤（圖2e）。經(jīng)過4小時(shí)數(shù)據(jù)對比，ONIX下的小鼠與對照組小鼠在競技場探索程度和頭部朝向分布上無顯著差異。此外，ONIX與對照組相比，奔跑速度中值提高約12倍，最大速度提高約2倍（圖2d）。

l長時(shí)間記錄與復(fù)雜行為：為研究在無干擾行為情況下長時(shí)間記錄的實(shí)用性，研究人員在三維競技場中，使用tetrode驅(qū)動(dòng)裝置對小鼠的壓后皮層（retrosplenial cortex）進(jìn)行了7.3小時(shí)的ONIX記錄（圖3）。小鼠表現(xiàn)出自然跳躍行為（圖3a、b），同時(shí)記錄到跳躍期間的神經(jīng)活動(dòng)（圖3f）。這種行為在使用較重采集線的小鼠中并未出現(xiàn)。

為了驗(yàn)證ONIX在長時(shí)間記錄中的穩(wěn)定性，研究人員對一只小鼠進(jìn)行了長達(dá)55小時(shí)的不間斷記錄，結(jié)果發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)可靠運(yùn)行，采集線未打結(jié)。實(shí)驗(yàn)表明，ONIX可在極長時(shí)間內(nèi)實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量記錄，同時(shí)保持對動(dòng)物行為的最小干擾。

Fig4. a, ONIX結(jié)合Bonsai可以同時(shí)記錄并同步多個(gè)數(shù)據(jù)源。b, 64通道細(xì)胞外headstage。配備3D追蹤、電刺激器、雙通道LED驅(qū)動(dòng)和慣性測量單元（IMU）。Headstage收集的示例神經(jīng)記錄和相應(yīng)的3D姿態(tài)軌。c, ONIX與Miniscopes兼容。d, ONIX headstage可與兩個(gè) Neuropixels 探針和 IMU 配合使用，實(shí)現(xiàn)無扭矩?fù)Q向器，以進(jìn)行長期自由行為記錄。

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的開放標(biāo)準(zhǔn)

此研究展示了ONI標(biāo)準(zhǔn)的靈活性，ONIX系統(tǒng)可以同時(shí)采集和控制兩種通用的第三方設(shè)備的數(shù)據(jù)：UCLA Miniscopes（圖4c）和Neuropixels探針（圖4d），并支持同時(shí)記錄。研究人員通過Bonsai軟件整合了多攝像頭同步跟蹤（圖2）。

ONI硬件標(biāo)準(zhǔn)和API為開發(fā)者提供了簡化的新探針和傳感器集成方式，使其與現(xiàn)有設(shè)備兼容。這降低了各實(shí)驗(yàn)室設(shè)計(jì)特定實(shí)驗(yàn)儀器的門檻，同時(shí)提供了便捷的接口，支持軟件與FPGA固件之間的通信。該標(biāo)準(zhǔn)還支持開發(fā)新型數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)（如超高速相機(jī)），并確保設(shè)備間的通信。

在此研究中，麻省理工學(xué)院的研究團(tuán)隊(duì)開發(fā)了ONIX開源數(shù)據(jù)采集平臺(tái)。ONIX系統(tǒng)可在小鼠及類似體型動(dòng)物的自然行為中實(shí)現(xiàn)長時(shí)間、高帶寬記錄，且動(dòng)物行為與未植入探針的動(dòng)物行為無顯著差異。ONIX系統(tǒng)能夠減少動(dòng)物疲勞，同時(shí)支持動(dòng)物的自然行為運(yùn)動(dòng)。這將極大的推動(dòng)諸多神經(jīng)科學(xué)研究領(lǐng)域的發(fā)展，例如運(yùn)動(dòng)學(xué)習(xí)、自然行為中的感覺處理、社交行為、空間行為認(rèn)知等領(lǐng)域。

Reference：

https://www.nature.com/articles/s41592-024-02521-1

翻譯整理：BrainGeek

僅用于學(xué)術(shù)分享，若侵權(quán)請留言，即時(shí)刪侵！

歡迎加入腦機(jī)接口社區(qū)交流群，

探討腦機(jī)接口領(lǐng)域話題，實(shí)時(shí)跟蹤腦機(jī)接口前沿。

加微信群：

添加微信:RoseBCI【備注：姓名+行業(yè)/專業(yè)】。

歡迎來稿

1.歡迎來稿。投稿咨詢，請聯(lián)系微信：RoseBCI

點(diǎn)擊投稿：

2.加入社區(qū)成為兼職創(chuàng)作者，請聯(lián)系微信：RoseBCI

一鍵三連「分享」、「點(diǎn)贊」和「在看」

不錯(cuò)過每一條腦機(jī)前沿進(jìn)展