自然行動における多モーダル神経記録及び操作のためのオープンプラットフォーム「ONIX」

研究背景と意義

近年、神経科学分野において、大規模神経集団の記録技術と動物行動の研究において大きな進展が見られました。しかし、これら2つの要求の間には常に矛盾が存在しています。高品質な神経データを得るため、頭部を固定した実験法が多く採用されてきましたが、これは動物の自然な行動を制限しています。しかし、多くの研究により、自然行動における神経活動は固定実験での行動とは顕著に異なることが示されています。例えば、運動行動が主に感覚処理に用いられると考えられていた脳の領域の活動に影響を与えること、さらに固定状態と自由行動状態では学習戦略にも明確な違いがあることが分かっています。これらの発見は、社会的相互作用、学習、認知など複雑な神経機能を研究するには、動物の自然行動の文脈で神経記録を行う必要があることを示しています。

従来の記録法では、多くの場合かさばる機器やケーブルを使用するため、動物の運動は制限されるばかりか、長時間の記録や広い空間を用いた実験も困難でした。これは特に小型の実験動物（例えばマウス）にとって重大な課題です。そのため、軽量で効率的なデータ取得システムを設計し、神経データの長時間記録を可能にしつつ行動の自由度を保つことは、神経科学研究を進める上で非常に重要です。

この課題に応えるため、米国マサチューセッツ工科大学（MIT）、Allen Institute、HHMI Janelia Research Campusなど複数の研究機関の科学者が連携して「ONIX」と呼ばれるプラットフォームを開発しました。これは、自然行動条件下での神経記録および操作のためのオープンデータ収集システムです。

論文の出典

この研究は、Jonathan P. Newman、Jie Zhang、Nicholas J. Millerなどの科学者が共同で執筆し、研究チームはマサチューセッツ工科大学（MIT）の脳及び認知科学学科、Picower学習と記憶研究所、McGovern脳研究所などに所属しています。本論文は2025年1月に《Nature Methods》（volume 22, 187-192）で発表され、DOIは10.1038/s41592-024-02521-1です。

研究の作業工程

論文はONIXの開発設計、技術的特徴、および実験的検証過程を紹介しており、研究の流れは以下のステップにまとめられます：

1. ONIXシステムの設計と開発

ONIXシステムの中核は、オープンソースでモジュール化され拡張可能なプラットフォームであり、開発の目標は神経記録が自由行動に与える影響を最小限に抑えることです。システムの主要なアーキテクチャは以下のモジュールで構成されています： - ハードウェア標準とインターフェース：オープンハードウェア標準（Open Neuro Interface, ONI）およびAPI（アプリケーションプログラムインターフェース）を採用し、複数デバイス間の通信とデータ同期をサポート。 - 微細同軸ケーブル（micro-coax tether）：直径わずか0.31mm、重量は約0.37g/mで、動物の頭部にかかるトルクを大幅に軽減。従来の直径3mmケーブルと比較して行動への干渉を顕著に削減。 - ケーブル防ねじれ装置（motorized commutator）：統合された九軸センサーを使用してリアルタイムで動物の頭部回転角度を計算、小型モーターを用いてケーブルのねじれを排除し、追加のトルク測定を不要に。

2. システムの互換性とハードウェア構成

ONIXは以下を含む、さまざまなデータ取得デバイスをサポートしています： - 神経電極（tetrode drives）とNeuropixelsプローブ：それぞれ受動的な電気記録と高密度神経記録に使用。 - 超小型顕微鏡（head-mounted microscopes）：例えばUCLA Miniscopes。 - カメラと三次元追跡センサー（3D trackers）：動物の動きと頭部姿勢をリアルタイムに記録。

実験では、ONIXは光学刺激器、九軸慣性測定ユニット（IMU）、LED/レーザーダイオードドライバーなど、さまざまなセンサーとドライバーを統合しています。

3. 行動と神経実験の検証

a) 長時間実験

研究チームはまず、ONIXを使用して自由に動くマウスの8時間の長時間記録を実施しました。実験スペースは1.5m×1.5m×0.5mの六角形の三次元空間で、地面は異なる高さの発泡スチロールモジュールで構成されており、マウスがさまざまな自然行動（例えば走る、登る、跳ぶ）を行うことができます。

軽量ケーブルを使用したONIXと従来のケーブルを比較した結果、ONIX使用時にはマウスの探索行動が著しく向上し、空間軌跡分布と頭部方向分布のエントロピー値は未インプラントのマウスに近かったことが分かりました。

b) 自然な行動と神経活動の一致

ONIXを使用することで、特定の行動（例えばジャンプ）の前後の神経活動の変化を記録することが可能になりました。例えば、皮質の特定のジャンプ行動時に特異的な神経活動パターンが観察されました。また、高速運動やジャンプにおいて脳の移動が目立たないことも確認されました。

c) 数日間の睡眠記録

ONIXの長期的な安定性を検証するため、研究チームは大きなケージ環境で55時間の実験を実施しました。この中には、異なる睡眠段階の神経活動の記録も含まれます。実験では、システムが常にケーブルのねじれを排除し、信頼性の高いデータを取得できることが示されました。

4. データの統合と可視化

ONIXのオープンAPI設計を採用し、研究チームはBonsaiなどのオープンソースソフトウェアのサポートを受けて多種多様なデータソースを同期的に統合しました。また、DeepLabCutやSLEAPが開発したリアルタイム深層学習ツールを通じて、このONIXの機能互換性がさらに検証され、神経と行動の相互作用動態を精密に研究する道が開けました。

研究結果と意義

一連の実験を通じて、研究者らはONIXが自然行動条件下で長期間高品質な神経データを記録できる能力を証明しました。主な研究成果は以下のとおりです： 1. 自然行動下の神経記録：ONIXは長時間の記録を実現し、自由行動を妨げることがありません。これは現存するシステムの中で非常に珍しい特性です。 2. 頭部回転のゼロトルク設計：同じ実験条件下で、ONIXは従来システムの高トルクによる動物行動の自由度への影響を大幅に削減しました。 3. プローブ互換性とハードウェア拡張性：ONIXシステムは、広く使用されているNeuropixelsプローブ、Miniscopes、複数のカメラモジュールをサポートするオープンなインターフェースを提供しています。

研究の意義と価値

ONIXの開発は神経科学分野において全く新しい突破口をもたらしました： 1. 科学的価値：研究手法と設計理念は、神経科学実験設計において自然行動の再現の重要性を強調しています。これは社会行動、学習、認知などの分野のさらなる理解を大きく促進するでしょう。 2. 応用価値：ONIXシステムは科学者が高度に柔軟で精密な神経および行動実験を開発するための汎用的なハードウェアプラットフォームを提供します。 3. オープンな科学研究ツールとしてのマイルストーン：ONIXの完全オープンソース化設計は、国際的な協力を推進するだけでなく、カスタマイズされた科学機器を研究室で作成するハードルを大幅に引き下げました。

総じて、この研究は自然環境における大規模神経記録の技術的なギャップを埋める画期的な科学ツールを示し、将来の生命科学や認知科学分野の革新的研究にとって重要な支援を提供します。