神经环路应用（12）：多通道硅电极记录

多通道硅电极记录是一种利用集成多个记录位点（电极通道）的微型硅探针，同步采集大脑中多个神经元或不同脑区电活动的技术。它能同时记录大量神经元的动作电位（spikes）和局部场电位（LFP），具有高时空分辨率，广泛用于研究神经环路的功能连接与动态编码。

应用

通过记录单个神经元的动作电位（spikes），可以分析其放电模式及其与特定行为或刺激的关联；同时记录多个神经元的活动，有助于理解复杂神经网络中信息处理的方式；

局部场电位（LFP）分析，反映了局部神经元群体的同步活动情况，对于探究神经振荡、脑区间的功能连接等具有重要意义。

在动物执行特定任务时，实时记录相关脑区的神经活动，以了解这些行为背后的神经机制。

以探究自由活动小鼠上丘（SC）神经动态为案例，明确其在主动视觉（头部 /眼部运动介导的视觉探索）中的功能分工。

实验装置与记录技术

核心设备：

128 通道硅电极（植入左侧 SC）、头部相机（追踪瞳孔位置）、前向相机（记录视野）、惯性测量单元（IMU，记录头部旋转）。

实验流程：

先进行头部固定记录（测试视觉调谐，刺激包括白噪声、正弦光栅、反转棋盘格），再进行自由活动记录，同步记录神经活动与头部 / 眼部运动。

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头部初始植入与适应阶段

首先，给小鼠在上丘上方植入钛制头板以便进行头部固定以及安装头戴式实验硬件。在术后恢复3天之后，将一个微型连接器固定在颅骨上，这样就能反复、可逆地连接相机臂、眼部/世界相机以及惯性测量单元。为了让小鼠适应真实电生理植入物的重量，会把一个“模拟”电生理驱动器粘在头板上。在进行手术操作之前，要对动物进行数天的训练，并且让它们在实验前的数天里，适应头部固定的球形跑步机以及系绳状态下的自由活动区域，每次适应时间约60分钟。

电生理植入阶段：

当动物能在活动区域舒适且长时间活动后，就进行电生理植入。在上丘的单眼区进行开颅手术，然后将安装在定制的3D打印驱动器中的线性硅探针（128通道）通过立体定位仪缓慢插入大脑，使探针尖端距离软膜表面约1500微米深。开颅处的表面覆盖人工硬脑膜，再用光固化牙科丙烯酸树脂将驱动器固定在头板上。之后在左额叶皮层上方进行第二次开颅手术，插入一根参考线到大脑中。开颅的创口处用少量无菌眼药膏覆盖，并用紫外线固化胶水将参考线粘在合适位置。动物经过一夜恢复后，第二天就开始进行实验。

Fig1 研究小鼠上丘神经活动与视觉、运动关系的实验设计

实验中用于记录和监测的设备，包括用于电生理记录的ephys（电生理装置）、监测头部运动的IMU（惯性测量单元）、拍摄外部世界的相机以及追踪眼部运动的eyecam（眼部相机），这些设备协同工作，为研究提供多维度的数据。

用于头部固定实验的视觉刺激，如white noise（白噪声）、checkerboard（棋盘格）、drifting gratings（漂移光栅）等，小鼠在球上，面对显示刺激的屏幕；右侧则是自由活动实验的环境，小鼠处于有不同视觉环境（Light亮环境或Dark暗环境）的箱体中，用于研究不同视觉条件下的神经与运动表现。

Fig2 相关数据解析

为明确实验所涉及的脑区层次，研究首先提供了上丘的组织切片图并标注了sSC（上丘表层）、iSC（上丘中间层）和dSC（上丘深层），为后续电生理记录提供了精确的解剖学定位。在此基础上记录了刺激开始后上丘不同深度（表层与深层）的局部场电位（LFP）变化，不同颜色的曲线清晰展示了上丘各层次在响应刺激时的电生理差异。为进一步揭示电活动在空间与时间上的动态传播，图E以伪彩图形式呈现了刺激后上丘不同深度（纵轴）在不同时间点（横轴）的电位变化，颜色深浅代表电位幅度（红为正，蓝为负），直观地显示出电位信号在上丘各层间的传播模式与时间进程。

随后，展示了两种典型行为模式下的运动特征：左侧为凝视转移（Gaze shift），头部与眼部同向运动，共同实现视线的主动转移；右侧为补偿性运动（Compensatory），头部与眼部反向运动以维持视线稳定。通过头部速度（横轴）与眼部速度（纵轴）的散点图对这两种行为进行量化区分：紫色点代表凝视转移，头眼速度多为同向；橙色点代表补偿性运动，头眼速度则多呈反向。这一系列数据从解剖定位、电生理响应到行为输出形成了完整的逻辑链条，系统揭示了上丘在不同视觉-运动行为中的功能特征。

总结

使用 128 通道硅电极记录上丘不同深度的神经活动， 同时利用头部相机追踪眼部运动、前向相机记录视野信息、惯性测量单元记录头部旋转。这种多模态数据的同步采集能够全面捕捉小鼠在运动过程中的神经活动变化以及头部、眼部的运动参数，为深入分析神经活动和运动之间的复杂关系提供了丰富的数据基础。

文献引用

https://doi.org/10.1016/j.celrep.2025.116284

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