Nature Method论文解读：使用ONIX系统捕获小鼠自然行为的神经信号
2025-09-03 来源:本站 点击次数:55当前行为神经科学研究面临一个很大的挑战：传统记录系统（如有线采集设备）往往通过粗重的缆线传输数据和电力，这些缆线会对小鼠等小型动物的头部施加显著的扭矩和机械约束，严重限制其运动自由度和行为自然性。尤其是在复杂三维环境（如攀爬、跳跃）或长时间（如睡眠周期）实验中，这种干扰会导致行为数据失真，神经活动记录受限，从而影响对自然行为下神经机制的解读。如何能够在不牺牲行为自然性的前提下，实现高带宽、低延迟、多模态的神经信号采集与闭环调控？
2024年11月，麻省理工学院大脑与认知科学系Jakob Voigts教授团队在Nature Method（IF2024=36.1）上发表了题名为“ONIX: a unified open-source platform for multimodal neural recording and perturbation during naturalistic behavior”的研究论文。该研究开发了开源平台 ONIX，实现小鼠长时间、多模态的神经记录，助力自然行为场景下的神经机制研究。
ONIX平台具有以下亮点：
1、开创性的微同轴缆线系统
使用0.31 mm超细缆线，重量仅为传统缆线的1/20，显著降低头部扭矩，使小鼠在三维环境中的行为与未植入小鼠无显著差异。
2、多模态一体化平台
支持Neuropixels、Miniscope、电生理、光遗传、3D追踪等多种设备的同步采集与刺激，实现真正意义上的“all-in-one”头部平台。
3、亚毫秒闭环延迟
在标准Windows系统上实现<1 ms的闭环延迟，媲美专业实时系统，为高性能闭环实验提供可能。
4、主动防缠绕commutator
基于IMU和3D追踪数据驱动电机自动解旋缆线，无需扭矩传感器，支持无人值守的多天连续记录（如55小时睡眠实验）。
5、完全开源与标准化
提供完整的开源硬件设计、API文档与软件支持（GitHub），推动社区协作与设备互操作性，降低神经科学研究的技术门槛。
研究结果
ONIX是一套开源、模块化的多模态神经数据采集与行为追踪系统，通过极细微同轴缆线（0.31mm直径）和电机驱动commutator大幅降低对动物行为的干扰，支持长时间、高带宽（150MB/s）数据传输与供电。其头戴平台集成Neuropixels、电生理、光遗传及6自由度姿态追踪（精度亚毫米级），并实现在标准操作系统下亚毫秒闭环刺激。硬件无关的API支持多语言开发，提升实验可复现性与扩展性，为自然行为下的神经机制研究提供强有力工具。
图1：ONIX——用于无约束自由活动记录的统一开源平台
a. ONI简化框图（以tetrode头戴平台为例）：多个设备通过单一微同轴电缆，采用串行协议与主机PC通信，实现小型多功能头戴平台设计。b. 集成九轴绝对方向传感器与3D追踪系统冗余测量动物旋转，驱动电机化commutator（无需测量缆线扭矩），支持长时间记录。小型驱动器植入体44实现低剖面植入（总高约20mm）。c. ONIX微同轴缆线（0.31mm）与标准12线数字缆线对比。d. 缆线对动物头部的扭矩：现有缆线仅在小场景或无拉力时允许完全自由活动，而ONIX微同轴缆线扭矩可忽略。e. ONIX性能：64通道头戴平台在Windows 10上实现最差情况（99.9%）闭环延迟（从神经电压读取→主机PC→返回头戴平台触发LED）<1ms。（缩写：FPGA-现场可编程门阵列；EIB-电极接口板；FIFO-先入先出缓冲区）
不受阻碍行为下的长期神经生理学研究
通过一系列严谨的行为实验，充分验证了ONIX系统在自由活动小鼠长期神经生理学研究中的卓越性能。
研究人员构建复杂3D泡沫场景（1.5×1.5×0.5米），让小鼠自由探索8小时。通过巧妙设计对照实验（每2小时切换ONIX微缆线与标准SPI缆线），定量证明标准缆线（扭矩>0.4 mNm）会严重限制小鼠探索行为与头部运动自由（空间熵4.21 vs 0.287比特，P<0.0001），而ONIX微同轴缆线（扭矩≈0.1 mNm）则使动物行为恢复至与无植入组统计无差异水平（空间熵置信区间重叠）。ONIX使植入小鼠的中位奔跑速度较标准缆线提升12倍。
图2：ONIX实现的无限制自然运动行为
a. 实验概览：小鼠自由探索由不同高度泡沫块构成的3D场景。b. 无植入小鼠、标准缆线小鼠（上）与ONIX微同轴缆线小鼠（下）通过多相机无标记姿态估计31进行3D追踪。c. 记录过程中头部偏航与俯仰占据分布。d. 记录过程中的速度分布。e. 记录期间小鼠轨迹的二维投影。
在7.3小时连续记录中，小鼠甚至出现自发跳跃（>10cm）等复杂行为，并成功捕捉到跳跃中神经活动。最后，55小时无人值守的家笼LFP记录证明系统具备长期防缠绕能力和超高可靠性，支持真正意义上的多日不间断实验，为自然行为下的神经机制研究树立了新标杆。
图3：自然运动中的稳定长期记录
a. 7.3小时ONIX记录中头戴平台3D追踪传感器位置（小鼠自由探索3D场景）。红色轨迹与片段显示小鼠多次从低处跳向高处瓷砖的典型实例。b. 跳跃视频帧（缆线过细不可见），参见视频1。c. 记录第1小时（上）与第7小时（下）两通道原始电压与尖峰峰值振幅。d. 全程记录的3D位置、朝向与平滑发放率。e. 同d数据，展示跳跃片段。f. 跳跃期间的Z轴位置、原始电压示例及71个神经元的排序尖峰。
数据采集系统的开放标准
研究展示了ONIX开放标准的卓越灵活性：同一ONIX系统可无缝集成并控制两大主流第三方设备——UCLA Miniscopes和Neuropixels探针，支持同步采集。通过Bonsai软件平台，进一步实现了多相机同步追踪与实时行为分析工具（如DLC、SLEAP）的融合，为高精度闭环实验奠定基础。对开发者而言，ONI标准极大降低了新型探针/传感器与头戴平台的集成门槛，并通过标准化软硬件接口（尤其FPGA通信）简化了超高速相机等采集系统的开发，确保系统互操作性。所有设计文档开源共享（可在https://github.com/open-ephys获取），有力推动可定制化神经技术工具的发展。
图4：ONIX兼容现有与未来记录技术
a. ONIX结合Bonsai可同步采集多数据源（如tetrode头戴平台、Neuropixels头戴平台和/或UCLA Miniscopes）。b. 64通道细胞外头戴平台（用于图1-3），集成3D追踪、电刺激器（扩展数据图10）、双通道LED驱动器和IMU（底部未展示）（上）；头戴平台采集的示例神经记录与对应3D姿态轨迹（下）。c. ONIX兼容现有UCLA Miniscopes（v.3-4）45,55；小鼠CA1示例记录的去背景最大投影（中）；10个示例神经元的背景校正荧光轨迹（黑）与CNMF输出（Minian63处理，红）（下）。d. 用于双Neuropixels探针与IMU的ONIX头戴平台，支持无扭矩commutator的长期自由行为记录；电压热图显示头固定记录片段；虚线标注通道的电压时间序列以蓝色显示。
研究结论
这篇研究开发了ONIX开源系统，通过超细缆线（0.31mm）和主动防缠绕技术，彻底解决了自由行为神经记录中扭矩干扰的难题。首次在自然行为范式（如三维跳跃、多日睡眠）中实现多模态神经数据的高带宽同步采集与亚毫秒闭环调控，为揭示自然行为下的神经机制提供了革命性工具。
参考文献：
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.
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