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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:
卷。372,问题6539,EABF4588
DOI:10.1126 / science.abf4588

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很长一段时间录制许多神经元

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.等等。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,例如神经气旋探针,使活脑中成千上万的个体神经元的录音。这些工具导致了关于感知和动作的大规模相关性,主要是在急性,头部固定录制中使用。然而,研究跨时尺度的神经元处理的动态,有必要从周期和数月内记录神经元,理想地在无拘无束的行为和小动物中,例如小鼠。

理由

为此,我们设计了一种称为Neuropixels 2.0的小型化探针,其中5120个录音部位分布在四个柄部上。The probe and headstage were miniaturized to about one-third of the original size (i.e., the size of the Neuropixels 1.0 probe), so that two probes and their single headstage weigh only ~1.1 g, without loss of channel count (384 channels per probe). Using two four-shank probes provides 10,240 recording sites in one implant. To achieve stable recordings despite brain movement, we optimized the recording site arrangement. The probe has a denser, linearized geometry that allows for post hoc computational motion correction using a newly designed algorithm. This algorithm, implemented in the Kilosort 2.5 software package, determines the motion over time from the spiking data and corrects it with spatial resampling, as in image registration.

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。

一种“神经气旋1.0和2.0设备设计的比较。神经气旋2.0装置小型化,有四个柄。每个脑台都可以托管两种探针。(B.)在皮质(CTX),海马(HC)和丘脑(TH)上的尖峰活动的模式,记录在> 300天。(C)示例来自两个神经皮克尔2.0探针的尖峰慢性植入小鼠,显示在两种探针中可用的10,240个位点的6144上记录的尖峰。八个顺序记录(不同颜色)每次执行768个通道。

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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