基于CMOS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信息。这些工具促进了关于感知和行动的全脑相关性(brain-wide correlates)的研究,但目前仍主要用于头固定时的短期记录。因此,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,在一项新的科学研究中,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的新型微型化探针,它具有的5120个记录点分布在四个柄上。Neuropixels 2.0的探针和头架(headstage)被缩小到原来尺寸(即Neuropixels 1.0探针的大小)的三分之一左右,因此,它的两个探针及其单个头架只重约1.1克,没有通道数的损失(每个探针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。这种探针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探针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。
责任编辑:lq
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原文标题:新型Neuropixels探针可稳定地长期记录大脑神经元信息
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