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Neuropixels 2.0:用于稳定,长期脑记录的小型高密度探针

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科学2021年4月16日:
第372卷,6539期,eabf4588
DOI:10.1126 / science.abf4588

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记录了很多神经元很长一段时间

慢性录音的最终目的是在几天和几周内从同一神经元进行样品。然而,这种目标难以实现大量神经元的群体。Steinmetz.et al。描述神经自动增速箱2.0的开发和测试。这种新的电生理记录工具是一种小型化的高密度探针,用于急性和长期实验,结合复杂的软件算法,用于全自动后HOC计算稳定。该技术还提供了一种用于将录制站点的数量扩展超出可用记录信道的数量的策略。在自由移动的动物中,因此可以遵循极大的单独神经元并用相同的探针跟踪周数和偶尔几个月。

科学,这个问题p。EABF4588.

结构摘要

介绍

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,已经能够记录活大脑中的数千个单个神经元。这些工具已经导致了关于感知和行动的全脑关联的发现,主要是在急性固定头部录音时使用的。然而,为了研究跨时间尺度的神经元处理动力学,有必要记录数周或数月的神经元,最好是在无约束行为期间或在小动物(如老鼠)中。

基本原理

为此,我们设计了一个名为Neuropixels 2.0的微型探针,在四个小腿上分布着5120个记录点。探头和头级被缩小到原来的三分之一(即Neuropixels 1.0探头的尺寸),这样两个探头和它们的单个头级仅重约1.1 g,没有通道数损失(每个探头384个通道)。使用两个四柄探针可以在一个种植体中提供10240个记录位点。为了在大脑运动的情况下保持稳定的记录,我们优化了记录位置的安排。该探测器具有更密集、线性化的几何结构,允许使用新设计的算法进行事后计算运动校正。该算法在kilsort 2.5软件包中实现,从峰值数据中确定运动随时间的变化,并通过空间重采样进行校正,如图像配准。

结果

为了验证这些探讨的长期记录,我们在六个实验室中长期植入21只大鼠和小鼠。这21种植入物中的20多个植入物成功并在数周和几个月内产生神经元,同时保持良好的信号质量。使用新工程化的植入物夹具设计可靠地恢复探针。

为了测试运动校正算法的性能,我们对探针的相对于大脑进行了已知的施加运动的记录。该算法提高了稳定神经元的产量,大大消除了运动对录音的影响。

该算法的版本允许跨天数稳定地记录神经元。我们通过将其独特的视觉响应对图像的电池进行了不同的视觉响应,通过“指纹纹理”个体慢性记录神经元评估了这一点。神经元跟踪> 90%成功最多2周,> 80%成功最多2个月。

结论

这项工作示出了一种电生理工具套件,其包括小型化的高密度探针,可恢复的慢性植入物固定装置和用于自动HOC运动校正的算法。这些工具能够在可以记录在小型动物(例如小鼠)中的网站数量的级数增加,以及在长时间尺度上稳定地记录它们的能力。

Neuropixels 2.0探头允许前所未有的录音。

(一个) Neuropixels 1.0和2.0设备设计比较。Neuropixels 2.0设备是小型化的,有四个小腿。每个顶级可以承载两个探针。(B)在>300天内,大脑皮层(Ctx)、海马(HC)和丘脑(Th)的峰值活动模式被记录。(C)从长期植入老鼠的两个Neuropixels 2.0探针中获得的尖峰点阵显示,在这两个探针的10240个可用位点中,有6144个位点记录了尖峰。分别从768个通道进行8次连续录音(不同颜色)。

抽象的

测量跨时尺度的神经处理的动态需要在数千个单独的神经元超过毫秒和数月之后。为了解决这种需求,我们将Neuropixels 2.0探头与新设计的分析算法一起介绍。探针具有超过5000个位点,小型化,以促进小型哺乳动物中的慢性植入物和在无拘无束的行为期间记录。在六个实验室中的老鼠和大鼠中可靠地获得长期缩放的高质量录音。改进的网站密度和布置与新创建的数据处理方法相结合,使脑运动的自动校正能够自动校正,允许从同一神经元记录超过2个月。这些探测和算法使得在自由行为中的数千个地点稳定录音,即使在比例如小鼠中的小型动物。

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