Science：新型微型化高密度探头Neuropixels 2.0可稳定地长期记录大脑

2021年4月19日讯/生物谷BIOON/---基于互补金属氧化物半导体硅制造技术的电极阵列，如Neuropixels探针，已经能够记录活体大脑中成千上万个神经元。这些工具已经导致了关于感知和行动的全脑相关性（brain-wide correlates）的发现，但主要用于短时间的头固定时的记录。然而，为了研究跨时间尺度的神经元处理动态，有必要对神经元进行数周和数月的记录，最好是在不受约束的行为中和小动物（如小鼠）中进行。

为此，在一项新的研究中，来自英国、美国、挪威、比利时和葡萄牙的研究人员设计了一种称为Neuropixels 2.0的微型化探头，它具有的5120个记录点分布在四个柄上。Neuropixels 2.0的探头和头架（headstage）被缩小到原来尺寸（即Neuropixels 1.0探头的大小）的三分之一左右，因此，它的两个探头及其单个头架只重约1.1克，没有通道数的损失（每个探头384通道）。使用两个四柄探针（four-shank probe）在植入它们的动物中提供10240个记录点。相关研究结果发表在2021年4月16日的Science期刊上，论文标题为“Neuropixels 2.0: A miniaturized high-density probe for stable, long-term brain recordings”。

为了在大脑运动时实现稳定的记录，这些作者优化了记录点的安排。这种探头具有更密集的线性化的几何形状，允许使用新设计的算法进行事后计算运动校正。这种在Kilosort 2.5软件包中实现的算法从峰值数据中确定随时间的运动，并通过空间重采样进行校正，如在图像配准中一样。

为了验证这些探针的长期记录，这些作者将它们长期植入6个实验室的21只大鼠和小鼠体内。在这21个植入物中，有20个取得成功，并且在数周和数月内记录了神经元，同时保留了良好的记录信号质量。使用新设计的植入物固定装置，这些探针可可靠地回收。

Neuropixels 2.0探头允许前所未有的记录。图片来自Science, 2021, doi:10.1126/science.abf4588。

为了测试运动校正算法的性能，这些作者利用探针对它相对于大脑施加的运动进行记录。该算法提高了对神经元的稳定记录，并在很大程度上消除了运动对记录的影响。

这种算法的一个版本允许连续数天稳定地记录神经元。这些作者通过对初级视觉皮层中长期记录的神经元进行“指纹”识别来评估这一点，这些神经元对一系列图像有独特的视觉反应。神经元追踪在2周内取得>90%成功，在2个月内取得>80%成功。

综上所述，这项研究展示了一套电生理工具，包括微型化的高密度探针，可回收的长期植入物固定装置，以及用于自动事后运动校正的算法。这些工具使得可以在小动物（如小鼠）身上记录的位点数量以数量级增加，并且能够在很长时间内稳定地在它们身上进行记录。（生物谷 Bioon.com）

参考资料：

Nicholas A. Steinmetz et al. Neuropixels 2.0: A miniaturized high-density probe for stable, long-term brain recordings. Science, 2021, doi:10.1126/science.abf4588.