Nat Methods | 赵子方等开发WILD无线神经接口，实现自由活动动物的多模态记录与闭环调控

理解大脑如何产生行为，一个重要前提是在尽可能接近自然状态的条件下，同时记录动物的神经活动和行为，并对特定神经过程进行在线干预。然而，目前高通量神经电生理记录大多依赖有线系统，这不仅限制动物的活动范围，也给多动物社交、复杂空间探索以及真实户外环境中的神经活动研究带来困难。现有无线记录设备虽然能够部分解决线缆束缚问题，但在重量、功耗、记录通量以及实时闭环调控等方面仍存在明显限制。

近日，美国康奈尔大学Zifang Zhao（赵子方）、Azahara Oliva和Antonio Fernandez-Ruiz团队在Nature Methods在线发表题为A wireless modular platform for neuro-behavioral recording and closed-loop manipulation in small animals的研究论文，开发了一套面向自由活动小动物的无线神经记录与调控平台—WILD（Wireless, Interactive, Lightweight Datalogger，无线交互式轻量化数据记录器）。赵子方为论文第一作者及共同通讯作者。

WILD并非单纯的无线电生理记录器，而是将64通道神经电信号记录、惯性测量单元（IMU）、超声麦克风、微型摄像头、存储单元、无线通信、实时信号处理以及光遗传刺激集成到一个重量不足1.5克的集成系统中。系统可以同步记录神经电活动、动物运动、超声发声（ultrasonic vocalization，USV）和瞳孔动态，并通过板载微控制器实时分析这些信号。研究人员还在设备端部署了微型机器学习（TinyML）模型，使WILD能够在动物自由活动过程中实时识别特定的神经活动事件或行为模式，并据此触发闭环光遗传刺激。

【图 1 无线动物社交行为研究平台】A.高密度电生理记录多动物社交行为 B.野外环境社交行为研究 C.瞳孔、眼动记录 D.高速麦克风记录动物超声发声

研究团队首先将WILD应用于小鼠自由社交行为研究。与传统有线记录相比，佩戴WILD的小鼠表现出更大的活动范围和更丰富的社交行为。借助头戴式超声麦克风，研究人员还能够判断群体互动中的超声发声来自哪一只动物，并将这些声音信号与瞳孔变化、运动状态以及海马神经活动进行同步分析。

这些多模态记录进一步揭示了小鼠发出超声声信号时特殊的海马活动状态。研究发现，超声发声与海马尖波-涟漪（sharp-wave ripple，SWR）呈负相关；相比运动速度匹配、但没有发声的静止时期，小鼠发声时CA1神经元的放电显著增强，并有约40%的CA1神经元在发声过程中被明显招募。这提示，动物在静止状态下进行社会交流时，海马可能进入一种不同于经典尖波-涟漪的神经活动状态。

为了进一步突破传统实验室行为范式的限制，研究人员还将一组植入WILD的小鼠放养在一个38米×15米的户外围栏环境中生活15天，并同步记录它们的空间位置和海马神经活动。即使在户外环境中，WILD仍能够长期稳定记录局部场电位和单神经元放电。研究人员在这些数据中鉴定出1,636个海马位置细胞（place cells），从而得以研究位置细胞在大尺度、复杂自然环境中的空间编码特征。

除了记录，WILD的另一核心能力是实时闭环神经调控。其板载神经信号处理模块能够实时检测海马尖波-涟漪，并估计海马θ振荡的瞬时相位；研究人员据此在小鼠执行三维空间觅食任务时进行了尖波-涟漪触发和θ相位特异性的闭环光遗传刺激。与此同时，板载TinyML模型还能根据IMU信号在线识别小鼠的社交行为，为在复杂、无线甚至多动物环境中实施“行为识别—神经干预”提供了可能。

图 2【 开源、无线、神经调控、轻量记录平台】A. 高度集成的小型无线实验平台 B. 植入设备后的小鼠 C.WILD平台、可集成柔性电极与双通道光遗传模块

值得注意的是，WILD并不是一个闭源设备。研究团队已经将其硬件设计、嵌入式软件、控制程序和使用文档全部开源 (https://github.com/ayalab1/Neurologger)，并采用模块化设计，方便进一步接入不同类型的神经电极和传感器。团队还计划将该平台扩展至Neuropixels探针以及集成更多生理和神经化学传感器，从而进一步提高自由活动动物神经活动记录的规模和维度。

这项工作将无线神经电生理、多模态行为监测、边缘计算与闭环神经调控整合在同一轻量化平台中，为研究动物在群体社交、复杂空间探索乃至户外自然环境中的神经机制提供了新的工具。

赵子方将于2027年入职比利时根特大学4Brain研究所并建立实验室。

原文链接：https://www.nature.com/articles/s41592-026-03220-9

制版人： 十一

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