用于自然行为的多模态神经记录与干扰的开放式平台ONIX

研究背景与意义

近年来，神经科学领域在大规模神经群体记录技术和动物行为研究方面取得了显著进展。然而，这两个需求之间始终存在冲突。为了获得高质量的神经数据，许多研究采用固定头部的实验方法，这限制了动物的自然行为表现。然而，越来越多的研究表明，自然行为中的神经活动与固定实验中的表现显著不同。比如，运动行为会影响某些被认为主要用于感官处理的脑区活动，而学习策略在固定和自由活动状态下也存在明显差异。这些发现表明，要研究复杂的神经功能如社会互动、学习和认知，必须在动物自然行为背景下进行神经记录。

传统记录方法多采用笨重的设备及电缆，不仅对动物的运动造成限制，也难以实现长时间记录或大空间实验。这尤其对小型实验动物（如小鼠）是一个巨大挑战。因此，设计一种轻便且高效的数据采集系统，实现长时间神经数据记录并保持行为的自由性，对于推动神经科学研究至关重要。

为了应对这一挑战，美国麻省理工学院（MIT）、Allen Institute、HHMI Janelia Research Campus等多家研究机构的科学家们联合开发了一种名为ONIX的平台。这是一种用于自然行为条件下神经记录和干预的开放式数据采集系统。

论文来源

这项研究由Jonathan P. Newman、Jie Zhang、Nicholas J. Miller等科学家共同完成，研究团队来自麻省理工学院（MIT）的脑与认知科学系、Picower学习与记忆研究院、McGovern脑研究院等机构。本论文发表于2025年1月的《Nature Methods》（volume 22, 187-192），DOI为 10.1038/s41592-024-02521-1。

研究工作流程

论文介绍了ONIX的开发设计、技术特点与实验验证过程，研究工作可大致分为以下几个步骤：

1. ONIX系统的设计与开发

ONIX系统的核心是一个开放源码、模块化和可扩展的平台，研发目标是减少神经记录对自由行为的干扰。系统的主要架构包括以下几个模块： - 硬件标准与接口：采用开放的硬件标准（Open Neuro Interface，ONI）和API（应用程序接口）接口，支持多种设备之间的通信与数据同步。 - 微同轴电缆（micro-coax tether）：直径仅0.31毫米，重量约为每米0.37克，大幅减少对动物头部施加的力矩，与传统的3毫米直径电缆相比，显著降低了行为干扰。 - 电缆防扭装置（motorized commutator）：利用集成的九轴传感器实时计算动物头部旋转角度，通过一个小型电机消除电缆扭转，无需额外测量力矩。

2. 系统兼容性与硬件配置

ONIX支持多种数据采集设备，包括： - 神经电极（tetrode drives）与Neuropixels探针：分别用于被动电记录和高密度神经记录。 - 微型显微镜（head-mounted microscopes）：例如UCLA Miniscopes。 - 摄像头与三维跟踪传感器（3D trackers）：实时捕捉动物的运动位置与头部姿态。

实验中，ONIX还集成了多种传感器及驱动器，例如光学刺激器、九轴惯性测量单元（IMU）和LED/激光二极管驱动器。

3. 行为与神经实验验证

a) 长时间实验

研究团队首先通过ONIX对自由活动的小鼠进行了8小时的长时间记录。实验场地为一个1.5米×1.5米×0.5米的六边形三维场地，地板由不同高度的泡沫模块组成，允许小鼠进行多种自然行为（例如奔跑、攀爬及跳跃）。

通过比较使用ONIX的轻质电缆与传统电缆，小鼠在使用ONIX时探索行为显著增加，空间轨迹分布和头部方向分布的熵值接近于未植入设备的小鼠。

b) 自然行为与神经活动匹配

ONIX使得科学家可以记录特殊行为（例如跳跃）之前后的神经活动变化。例如在脑皮层记录到特定跳跃行为时，神经活动具有显著模式，且测试显示在高速度运动和跳跃中脑部并未出现显著位移。

c) 多日睡眠记录

为了验证ONIX的长期稳定性，研究团队在大笼子环境中对小鼠进行了连续55小时的实验，其中包括不同睡眠阶段的神经活动记录。实验表明系统能够始终保持无电缆扭结，同时采集可靠的数据。

4. 数据整合与可视化

采用ONIX的开放API设计，研究团队在Bonsai等开源软件的支持下同步整合了多种数据源。此外，通过实时深度学习（例如DeepLabCut和SLEAP开发的行为追踪工具），进一步验证了ONIX的功能兼容性，提供高度精确的神经与行为交互动态。

研究结果与意义

通过一系列实验，研究人员证明了ONIX在自然行为条件下记录长期高质量神经数据的能力。主要研究结论如下： 1. 自然行为下的神经记录：ONIX能实现长时间记录且不干扰自由行为，这在现有系统中极为罕见。 2. 头部旋转的零扭矩设计：在相同实验条件下，ONIX大幅减少传统系统高扭矩对动物行为自由度的影响。 3. 探针兼容性与硬件扩展性：ONIX系统开放多种设备整合接口，可支持目前广泛使用的Neuropixels探针、Miniscopes和多个摄像模块。

研究的意义与价值

ONIX的开发为神经科学领域带来了全新突破： 1. 科学价值：研究方法和设计理念强调了神经科学实验设计中还原自然行为的重要性。这将极大促进对社会行为、学习和认知等领域的深入理解。 2. 应用价值：ONIX系统提供了通用硬件平台，以支持科学家们开发高度灵活和精确的神经与行为实验。 3. 开放式科研工具的里程碑：ONIX的完全开源设计不仅推动了全球化协作，还显著降低了实验室创建自定义科学设备的门槛。

总之，这项研究展示了一种突破性的科研工具，填补了自然环境大规模神经记录的技术空白，为未来在生物与认知科学领域的创新研究提供了重要支持。