Nature Method論文解讀：使用ONIX系統(tǒng)捕獲小鼠自然行為的神經(jīng)信號(hào)

圖1：ONIX——用于無約束自由活動(dòng)記錄的統(tǒng)一開源平臺(tái)

a. ONI簡(jiǎn)化框圖（以tetrode頭戴平臺(tái)為例）：多個(gè)設(shè)備通過單一微同軸電纜，采用串行協(xié)議與主機(jī)PC通信，實(shí)現(xiàn)小型多功能頭戴平臺(tái)設(shè)計(jì)。b. 集成九軸絕對(duì)方向傳感器與3D追蹤系統(tǒng)冗余測(cè)量動(dòng)物旋轉(zhuǎn)，驅(qū)動(dòng)電機(jī)化commutator（無需測(cè)量纜線扭矩），支持長(zhǎng)時(shí)間記錄。小型驅(qū)動(dòng)器植入體44實(shí)現(xiàn)低剖面植入（總高約20mm）。c. ONIX微同軸纜線（0.31mm）與標(biāo)準(zhǔn)12線數(shù)字纜線對(duì)比。d. 纜線對(duì)動(dòng)物頭部的扭矩：現(xiàn)有纜線僅在小場(chǎng)景或無拉力時(shí)允許完全自由活動(dòng)，而ONIX微同軸纜線扭矩可忽略。e. ONIX性能：64通道頭戴平臺(tái)在Windows 10上實(shí)現(xiàn)最差情況（99.9%）閉環(huán)延遲（從神經(jīng)電壓讀取→主機(jī)PC→返回頭戴平臺(tái)觸發(fā)LED）<1ms。（縮寫：FPGA-現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列；EIB-電極接口板；FIFO-先入先出緩沖區(qū)）

不受阻礙行為下的長(zhǎng)期神經(jīng)生理學(xué)研究
通過一系列嚴(yán)謹(jǐn)?shù)男袨閷?shí)驗(yàn)，充分驗(yàn)證了ONIX系統(tǒng)在自由活動(dòng)小鼠長(zhǎng)期神經(jīng)生理學(xué)研究中的卓越性能。

研究人員構(gòu)建復(fù)雜3D泡沫場(chǎng)景（1.5×1.5×0.5米），讓小鼠自由探索8小時(shí)。通過巧妙設(shè)計(jì)對(duì)照實(shí)驗(yàn)（每2小時(shí)切換ONIX微纜線與標(biāo)準(zhǔn)SPI纜線），定量證明標(biāo)準(zhǔn)纜線（扭矩>0.4 mNm）會(huì)嚴(yán)重限制小鼠探索行為與頭部運(yùn)動(dòng)自由（空間熵4.21 vs 0.287比特，P<0.0001），而ONIX微同軸纜線（扭矩≈0.1 mNm）則使動(dòng)物行為恢復(fù)至與無植入組統(tǒng)計(jì)無差異水平（空間熵置信區(qū)間重疊）。ONIX使植入小鼠的中位奔跑速度較標(biāo)準(zhǔn)纜線提升12倍。

圖2：ONIX實(shí)現(xiàn)的無限制自然運(yùn)動(dòng)行為

a. 實(shí)驗(yàn)概覽：小鼠自由探索由不同高度泡沫塊構(gòu)成的3D場(chǎng)景。b. 無植入小鼠、標(biāo)準(zhǔn)纜線小鼠（上）與ONIX微同軸纜線小鼠（下）通過多相機(jī)無標(biāo)記姿態(tài)估計(jì)31進(jìn)行3D追蹤。c. 記錄過程中頭部偏航與俯仰占據(jù)分布。d. 記錄過程中的速度分布。e. 記錄期間小鼠軌跡的二維投影。
在7.3小時(shí)連續(xù)記錄中，小鼠甚至出現(xiàn)自發(fā)跳躍（>10cm）等復(fù)雜行為，并成功捕捉到跳躍中神經(jīng)活動(dòng)。最后，55小時(shí)無人值守的家籠LFP記錄證明系統(tǒng)具備長(zhǎng)期防纏繞能力和超高可靠性，支持真正意義上的多日不間斷實(shí)驗(yàn)，為自然行為下的神經(jīng)機(jī)制研究樹立了新標(biāo)桿。

圖3：自然運(yùn)動(dòng)中的穩(wěn)定長(zhǎng)期記錄

a. 7.3小時(shí)ONIX記錄中頭戴平臺(tái)3D追蹤傳感器位置（小鼠自由探索3D場(chǎng)景）。紅色軌跡與片段顯示小鼠多次從低處跳向高處瓷磚的典型實(shí)例。b. 跳躍視頻幀（纜線過細(xì)不可見），參見視頻1。c. 記錄第1小時(shí)（上）與第7小時(shí)（下）兩通道原始電壓與尖峰峰值振幅。d. 全程記錄的3D位置、朝向與平滑發(fā)放率。e. 同d數(shù)據(jù)，展示跳躍片段。f. 跳躍期間的Z軸位置、原始電壓示例及71個(gè)神經(jīng)元的排序尖峰。

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的開放標(biāo)準(zhǔn)
研究展示了ONIX開放標(biāo)準(zhǔn)的卓越靈活性：同一ONIX系統(tǒng)可無縫集成并控制兩大主流第三方設(shè)備——UCLA Miniscopes和Neuropixels探針，支持同步采集。通過Bonsai軟件平臺(tái)，進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)了多相機(jī)同步追蹤與實(shí)時(shí)行為分析工具（如DLC、SLEAP）的融合，為高精度閉環(huán)實(shí)驗(yàn)奠定基礎(chǔ)。對(duì)開發(fā)者而言，ONI標(biāo)準(zhǔn)極大降低了新型探針/傳感器與頭戴平臺(tái)的集成門檻，并通過標(biāo)準(zhǔn)化軟硬件接口（尤其FPGA通信）簡(jiǎn)化了超高速相機(jī)等采集系統(tǒng)的開發(fā)，確保系統(tǒng)互操作性。所有設(shè)計(jì)文檔開源共享（可在https://github.com/open-ephys獲�。�，有力推動(dòng)可定制化神經(jīng)技術(shù)工具的發(fā)展。

圖4：ONIX兼容現(xiàn)有與未來記錄技術(shù)

a. ONIX結(jié)合Bonsai可同步采集多數(shù)據(jù)源（如tetrode頭戴平臺(tái)、Neuropixels頭戴平臺(tái)和/或UCLA Miniscopes）。b. 64通道細(xì)胞外頭戴平臺(tái)（用于圖1-3），集成3D追蹤、電刺激器（擴(kuò)展數(shù)據(jù)圖10）、雙通道LED驅(qū)動(dòng)器和IMU（底部未展示）（上）；頭戴平臺(tái)采集的示例神經(jīng)記錄與對(duì)應(yīng)3D姿態(tài)軌跡（下）。c. ONIX兼容現(xiàn)有UCLA Miniscopes（v.3-4）45,55；小鼠CA1示例記錄的去背景最大投影（中）；10個(gè)示例神經(jīng)元的背景校正熒光軌跡（黑）與CNMF輸出（Minian63處理，紅）（下）。d. 用于雙Neuropixels探針與IMU的ONIX頭戴平臺(tái)，支持無扭矩commutator的長(zhǎng)期自由行為記錄；電壓熱圖顯示頭固定記錄片段；虛線標(biāo)注通道的電壓時(shí)間序列以藍(lán)色顯示。

研究結(jié)論
這篇研究開發(fā)了ONIX開源系統(tǒng)，通過超細(xì)纜線（0.31mm）和主動(dòng)防纏繞技術(shù)，徹底解決了自由行為神經(jīng)記錄中扭矩干擾的難題。首次在自然行為范式（如三維跳躍、多日睡眠）中實(shí)現(xiàn)多模態(tài)神經(jīng)數(shù)據(jù)的高帶寬同步采集與亞毫秒閉環(huán)調(diào)控，為揭示自然行為下的神經(jīng)機(jī)制提供了革命性工具。 

參考文獻(xiàn)：
Newman JP, Zhang J, Cuevas-López A, et al. ONIX: a unified open-source platform for multimodal neural recording and perturbation during naturalistic behavior. Nat Methods. 2025 Jan;22(1):187-192. doi: 10.1038/s41592-024-02521-1.

想要獲取本篇文獻(xiàn)的老師同學(xué)們，可以拉到文末掃碼添加禮智小客服哦！
禮智生物科技是ONIX在中國(guó)地區(qū)的授權(quán)代理商，為想要使用這一系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)室提供完整解決方案。歡迎聯(lián)系我們，了解這一技術(shù)的更多細(xì)節(jié)和資料�。�聯(lián)系方式見文末）