Nature Methods：如何在不干扰动物行为的情况下高效记录神经活动？

近年来，神经科学领域对在自然行为条件下进行神经记录的需求显著增加。已有研究表明，动物在自由运动状态下的大脑活动与在固定状态下存在显著差异。例如，运动行为被发现显著影响了被认为主要负责感觉处理的脑区的神经活动。因此，自然行为条件下的神经记录能够更真实地反映大脑在现实情境中的功能，这对于理解学习、社交互动、感觉信息处理和认知计算等复杂问题至关重要。

为了实现这一目标，研究人员迫切需要能够提供高质量神经数据，同时又不显著干扰动物行为的记录技术。现有的无线系统在某些动物（如小鼠、灵长类动物）中表现较好，但由于记录设备的重量问题，对于小鼠这类体型较小的实验动物，难以实现自然行为下的长期记录。因此，ONIX系统的开发为解决这些技术瓶颈提供了重要的工具支持。

ONIX系统

ONIX系统基于开放式硬件标准“Open Neuro Interface（ONI）”开发，是一个模块化、可扩展的数据采集与行为跟踪系统，专为大规模神经记录在保持动物自然行为的条件下使用而设计。其核心组件包括轻量化的头部装置、微同轴电缆以及电动扭矩独立的换向器（commutator），这些组件使得系统可以在长时间内持续记录动物的神经活动，而不会显著影响其自由运动。

ONIX系统在多模态神经记录和保持实验动物自然行为方面的显著优势（Credit: Nature Methods）

ONIX系统结构简化图：展示了ONIX系统的核心组件及其工作原理，包括头部装置（headstage）通过微同轴电缆与主机PC连接。该图强调了多种设备（如电极、Neuropixels探针等）通过单根微同轴电缆与主机进行通信，从而实现小型多功能头部装置的设计。

传感器和换向器集成：ONIX系统包含一个集成的九轴绝对方向传感器和三维追踪装置，用于冗余地测量动物的旋转。这些数据用于驱动换向器，避免传统系统中需要测量扭矩的问题，从而实现长时间记录。

微同轴电缆的优越性：ONIX使用直径为0.31毫米的微同轴电缆，相比于传统的12线数字电缆，这种电缆能够对动物头部施加的扭矩降至最小。这使得小鼠在大范围的自由移动环境中仍能够进行神经记录，而无需担心由于线缆的扭曲而产生的运动限制。

ONIX系统的性能：包括其64通道头部装置实现的闭环延迟（小于1毫秒），可用于触发发光二极管（LED）等设备。这种低延迟能力使得ONIX在标准操作系统（如Windows 10）上也能实现高效的闭环神经刺激。

微同轴电缆与电动换向器

ONIX系统采用直径为0.31 mm的微同轴电缆，相较于传统的多导线电缆（直径为3 mm，重量6.35 g/m），这种电缆极大地减少了重量和电缆对小鼠头部施加的扭矩（约为0.1 mNm），使得实验动物能够更加自由地移动。此外，系统配备了电动扭矩独立换向器，能够根据动物的旋转自动调整电缆的扭曲，显著降低了长时间记录中因电缆缠绕而产生的物理干扰，从而有效减少实验中的外部干扰。

微同轴电缆的创新性设计显著降低了记录设备对实验动物的行为干扰，使得ONIX系统特别适合于需要大范围自由运动的行为学实验。例如，在神经科学实验中，小鼠往往需要在复杂的三维环境中探索，而传统电缆的重量和刚性会极大限制其运动能力。ONIX的电缆柔软且轻便，几乎不会对小鼠的探索行为产生干扰，这对于在自然环境下记录神经活动至关重要。此外，电动扭矩独立换向器能够自动适应动物的旋转行为，使得实验操作更加便捷，减少了实验人员对设备的干预需求。

数据采集与控制

ONIX系统支持从多种数据源同时进行采集，包括被动电极、Neuropixels探针、头戴显微镜、摄像头和三维追踪设备。这些数据通过头部装置中的现场可编程门阵列（FPGA）进行序列化处理，最终通过PCIe接口传输至主机PC进行进一步分析。ONIX头部装置集成了64通道电生理记录模块、加速度计、陀螺仪以及电刺激模块等组件，具备多模态数据采集的高度灵活性，能够实时响应多种不同的实验需求。

FPGA的应用使得ONIX系统能够以极高的精度处理来自多种传感器的数据。其高度可编程性使得研究人员能够根据不同的实验需求灵活调整数据采集策略，确保系统的适应性和通用性。此外，PCIe接口提供了高速的数据传输通道，使得大量神经数据能够实时传输至主机PC进行分析，这对高精度和高时效性的神经科学研究至关重要。例如，Neuropixels探针能够捕捉到多个脑区的神经活动，通过ONIX系统的高效处理，研究人员可以即时观察到神经信号的时空动态变化，从而深入理解神经群体的互动机制。

实验延迟与性能

ONIX系统具备极低的闭环延迟，能够在1毫秒以内完成从神经信号采集到主机PC处理并反馈至头部装置（如触发发光二极管（LED））的整个过程。这种低延迟使得ONIX系统能够在标准操作系统（如Windows 10）上实现闭环神经刺激，这在以往仅能通过专用硬件或实时操作系统才能实现。这种能力对于实现高性能、可重复的闭环实验具有关键意义。

低延迟是ONIX系统的一大核心优势，尤其在神经调控和行为学实验中具有重要应用。在闭环控制实验中，研究人员可以在检测到特定的神经信号后，迅速对动物进行实时的神经刺激，从而观察这种干预对动物行为的影响。例如，在研究小鼠的空间导航能力时，ONIX系统可以在小鼠接近目标位置时即时施加神经刺激，观察其对行为决策的影响。这种闭环刺激对于研究大脑在动态环境中的信息处理机制具有重要价值。

ONIX系统的实验验证

为了验证ONIX系统在长时间自由运动实验中的性能，研究人员构建了一个由六边形泡沫块组成的复杂三维环境，对小鼠进行了大约7小时的连续神经记录。在实验过程中，小鼠能够自由地跑动、攀爬和跳跃，ONIX系统实时记录到了小鼠在这些行为中的神经活动，显示出其与非植入状态下的运动能力几乎无异。ONIX系统还能够实时记录小鼠在快速运动和突然停止等剧烈行为中的神经信号，捕捉这些细节变化为揭示不同运动阶段的大脑内动态活动提供了宝贵数据。

通过对这些行为的实时记录，研究人员能够分析小鼠在不同环境刺激下的神经反应。研究结果表明，小鼠在攀爬和跳跃等复杂运动过程中，运动皮层和海马体的神经活动呈现出明显的节律性变化，这些变化与运动规划和空间记忆密切相关。ONIX系统的高分辨率和低干扰特性使得研究人员能够获取这些精细的神经数据，从而为理解大脑的运动控制机制提供了新的视角。

此外，研究人员还进行了长达55小时的多日睡眠监测，记录了小鼠在不同睡眠阶段（包括REM睡眠和NREM睡眠）中的神经活动。ONIX系统在这种长时间记录中表现出极高的稳定性，并且不会干扰小鼠的自然睡眠行为。研究数据揭示了特定神经元在睡眠阶段的节律性变化，这对于理解睡眠对记忆巩固的作用提供了新的洞见。

具体而言，研究人员发现，在NREM睡眠中，海马体的尖波涟漪（sharp-wave ripples, SWRs）活动显著增强，而这些活动被认为与记忆的巩固过程有关。在REM睡眠中，皮层的神经振荡与海马体的活动呈现出同步化现象，这种现象可能与情景记忆的重组和整合相关。ONIX系统的稳定性和高精度使得这些复杂的神经动态得以清晰呈现，为理解睡眠在记忆形成中的关键作用提供了重要的实验证据。

通过对ONIX系统与传统记录系统的对比，研究人员发现使用标准电缆的情况下，小鼠的头部运动显著受限，探索行为受到显著影响。而在使用ONIX系统的微同轴电缆时，小鼠的探索行为恢复正常，头部运动自由度与非植入状态下的小鼠相当。实验数据显示，ONIX系统的微同轴电缆将小鼠头部的平均负载减少了约70%，从而使探索行为次数增加了约50%。这些结果明确表明，ONIX系统大大降低了记录设备对动物自然行为的干扰，使实验更加接近自然行为条件，提供了更具生态有效性的神经数据。

ONIX系统的应用前景

ONIX系统为在自然行为条件下进行多模态神经记录提供了强有力的工具。与传统的固定头部实验不同，ONIX系统能够在不影响动物自由运动的情况下长时间记录大脑活动，这对于理解大脑在实际环境中的信息处理、学习与记忆过程具有重要意义。例如，在社交行为、认知导航和感觉信息处理等研究领域，ONIX系统能够帮助研究人员揭示更真实的大脑功能机制。

社交行为和学习过程的研究

在社交行为研究中，自然的运动和互动对实验结果至关重要。ONIX系统能够在动物自由互动时进行稳定的神经记录，使研究人员能够捕捉到接近现实条件下的社交行为中的神经活动。例如，研究人员可以利用ONIX系统研究小鼠在相互交流或竞争中的大脑活动模式，从而深入理解社交行为的神经基础。

在实验中，研究人员利用ONIX系统观察了两只小鼠在共享环境中的社交互动过程。他们发现，社交互动过程中前额叶皮层和海马体的神经活动呈现出高度同步化，表明这些脑区在处理社交信息时的协同作用。这些结果为理解社交行为的神经基础提供了新的视角，并可能对孤独症等社交障碍的神经机制研究带来启示。

运动学习与记忆的研究

在运动学习与记忆的研究中，自由运动条件下的神经记录对于理解学习机制至关重要。通过ONIX系统，研究人员可以在小鼠进行跑动、攀爬等复杂运动时记录其神经活动，从而揭示大脑在运动学习过程中神经活动的变化规律。这对于开发新的神经康复方法（如脑机接口）具有重要的启发意义。

在涉及运动学习的实验中，研究人员使用ONIX系统记录了小鼠在迷宫任务中的神经活动。实验结果表明，在学习任务过程中，海马体的特定神经元群体会对特定的位置产生空间放电（place cell firing），而这种活动模式随着学习的进展变得更加稳定和精确。这些发现揭示了大脑如何通过反复训练形成稳定的空间记忆表征，并为运动学习的神经机制研究提供了重要数据支持。

闭环神经刺激与控制

ONIX系统的另一大特点是其低延迟的闭环控制能力。系统能够在检测到小鼠特定行为时实时施加神经刺激，从而调节其行为。这为开发闭环神经调控技术提供了新的可能性。例如，研究人员可以利用ONIX系统对特定脑区进行实时刺激，以调节小鼠的行为，从而研究大脑不同区域的功能分工及其对行为的影响。

在闭环实验中，研究人员利用ONIX系统对小鼠的运动皮层进行了实时神经刺激，以探索其对运动行为的调控作用。结果发现，当小鼠即将完成一个特定的运动任务时，施加的刺激可以显著提高其任务完成的精度和速度。这些数据表明，运动皮层的特定神经活动在运动决策和执行中起着重要作用，闭环刺激技术为深入理解这些过程提供了强有力的实验手段。

ONIX系统的开发为神经科学研究中的自然行为记录提供了强大且灵活的工具。通过轻量化的头部装置、微同轴电缆和电动换向器，ONIX系统实现了长时间、高质量的神经记录，同时最大限度地减少了对动物行为的干扰。这为研究人员在自然行为条件下研究大脑活动提供了新的可能性，尤其在社交行为、学习与记忆及闭环神经调控等领域，将产生重要影响。

ONIX系统的开放性和模块化设计允许研究人员根据具体实验需求进行定制和扩展，降低了实验成本，并加速了神经科学研究的进展。随着ONIX系统的不断完善和推广，未来它有望成为神经科学实验中的标准工具之一，为我们更好地理解大脑的复杂性提供强有力的支持。

ONIX系统的应用前景不仅限于基础研究领域。在临床转化研究中，ONIX系统也显示出巨大的潜力。例如，对于帕金森病等运动障碍，利用ONIX进行神经活动的实时记录和调控，可以帮助研究人员更好地理解这些疾病的病理机制，并开发更加精准的神经调控疗法。此外，在脑机接口的研究中，ONIX系统的低延迟特性使得其在实时控制和神经反馈环节中具有独特的优势，有望在未来的神经康复和人机交互领域得到广泛应用。