开了「天眼」的设备，如何同时监测与调控多动物、多模态生理信号？

假如，光遗传能开「天眼」

光遗传学让人类第一次可以用一束光，在毫秒级的时间尺度上，彻底改变神经环路研究的方式。

当越来越多实验室开始尝试「光遗传多模态实验」时，批量动物的多类信号没法一次收齐，只能一遍遍补测。

如果，能开个「天眼」，把所有信号一网打尽......

News

2026 年 10 月 5 日，瑞典卡罗琳医学院宣布，将诺贝尔生理学或医学奖授予 Karl Deisseroth、Peter Hegemann 与 Georg Nagel，以表彰他们在光门控离子通道和光遗传学方面的开创性发现。

盲目堆砌的「多模态」

回答「光刺激到底改变了什么」，各研究方向提出了不同的要求：

要看神经自发/诱发放电、电化学递质浓度、行为学、心率、呼吸、体温等生命体征的变化，有时，甚至需要同步监测听觉视觉诱发。

「多模态」，让这些信号在同一个时间轴上互相印证，但这笔帐不好算——

现在的情况是，自发/诱发电生理信号要一台，电化学检测要一台，光遗传刺激要一套，生命体征监测要一套，行为追踪又要一套……

拼装只是第一个问题，深层的瓶颈在于：

在传统实验范式中，各采集设备无法一次性同步采集多模态信号，且单次实验通常仅能对单只动物开展记录。

这次，给多模态开「天眼」

一台设备，多动物并行、多模态同步采集生理信号，具体怎么做？

一

多模态生理信号同步采集

采用多模态复合电极，搭配玖机采集系统，可同步记录电化学、Spike、LFP、EEG、EMG、ECG、呼吸节律、血压、体温等多模态生理信号。

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电化学电生理同步检测（即鉴定同位点电生理记录的神经元类型）

神经活动本质上是电信号与化学信号的协同输出。传统电生理记录只能捕捉电信号，且往往「盲记」——电极扎进去了，却不知道记录的是哪类神经元。玖机系统将电生理与电化学检测整合在同一根微电极上，在同一记录位点同步采集两种信号。这样不仅能看到神经元放电，还能通过伏安图谱识别其释放的神经递质，直接判定细胞表型，可在单细胞水平上鉴别所记录神经元的神经递质表型，从根本上解决了盲记状态下神经元类型难以鉴定的问题。系统可检测多巴胺、5-羟色胺、腺苷等目标递质，图 1A 为体外多巴胺检测；图例所示为植入伏隔核（nucleus accumbens, NAc）的 2 × 3 通道电生理—电化学电极，用于同步电化学与电生理检测。图 1B 为体内多巴胺检测，图 1C 为同步电生理检测。

该技术适用于奖赏环路、成瘾机制、神经精神疾病模型等研究方向，可与行为学记录联动，帮助研究者从「电活动-化学信号-行为」三个层面完整解析脑功能。

图 1 电化学与电生理同步记录

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Spike、LFP、EEG、EMG、ECG、呼吸节律、血压、体温同步检测

在使用电化学方法完成神经元类型鉴定后，可对所锚定的特殊类型神经元进行电生理记录，可以搭配多模态复合电极，一站式同步采集 Spike、LFP、EEG、EMG、ECG、呼吸、血压与体温，使研究不再停留在单一指标，而能在更高维度上获得多尺度信息，把「细胞身份 — 整体生理状态」放进同一条时间轴，让每一组数据都更有层次，也更有解释力。

实验流程（以小鼠为例）：首先将小鼠固定于立体定位仪，暴露颅骨（图 2A）；依据目标脑区位点进行颅骨开窗，小心剥离脑膜后缓慢植入电极（图 2B、1C）。电生理电极可选微丝阵列电极、微针阵列电极等，如图 2D 为 4 × 4 微丝阵列记录的 LFP、Spike 电生理信号。在用于采集 EEG 信号的脑区上方植入颅骨钉，将 EEG 电极丝缠绕固定于颅骨钉（图 2E），牙科水泥封固（图 2F）；随后将肌电电极植入咬肌（图 2G），用于采集 EEG、EMG 信号（图 2H）。将复合电极的心电电极、呼吸电极分别植入胸大肌筋膜与腹外斜肌（图 2I），即可同步采集 ECG 与呼吸节律信号（图 2J）。

图 2 多模态信号同步采集

二

遗传学/电刺激/药理学调控

在数据采集过程中，通常可围绕目标疾病或脑功能对神经元活动进行定向调控：既可借助光纤微丝阵列电极（ KD-MWA-F），或采用光电一体的玖机系统实施光遗传刺激；也可通过电刺激直接改变局部兴奋性；还可构建闭环范式，让刺激随实时神经状态动态触发。若需药理学或化学遗传学干预，可使用导管或导管微丝阵列电极（KD-MWA-A）精准递送药物；如需永久削弱某核团功能，则可采用损毁电极（KD-IE）制造局灶性损伤，从而操纵关键实验变量。

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光电一体

玖机系统将光遗传学的高精度光控能力与在体多通道电生理记录集成于同一平台，实现对特定神经元群体的光学操控与同步神经活动读取。以光纤微丝阵列电极电极为例，可以实现电生理记录与光刺激一体化（图 3D）。

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电刺激

多模一体采集刺激的玖机系统（KDJJ-09）支持全通道采集与刺激模式的任意切换，最大可配置 1024 通道，所有通道均可独立设定为记录或刺激模式，实现同一实验体系内的采集-刺激同步操作。

在刺激功能方面，该设备可生成恒定电流刺激脉冲，支持单一通道或多个通道同时进行电刺激，满足不同实验范式的需求（图 3A）。设备还支持多只动物同时进行实验，具备实时监测与自动测阻抗功能，便于多通道、多动物的并行电生理研究。

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闭环刺激

玖机系统可实现睡眠闭环与 Spike 闭环控制。睡眠闭环模块能实时识别 wake、REM、NREM 三种睡眠状态，并在检测到指定阶段，例如检测到 wake 期（图 3B）时输出刺激，可与睡眠剥夺装置联用以开展睡眠剥夺研究，或在特定睡眠阶段施加定时刺激以研究记忆巩固、慢波调节或睡眠相关代谢清除。Spike 闭环模块可监测神经元放电频率并在超出或低于设定阈值时触发刺激（见图 3C），可用于实时中断异常放电、时空精确地诱导或抑制突触可塑性、以及在行为任务中基于瞬时放电模式进行闭环调控。

图 3 光遗传、电刺激操纵

三

行为 & 功能

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睡眠

在神经科学睡眠与脑功能研究体系中，除神经电生理信号记录外，动物睡眠-觉醒周期的解析是评估中枢环路活动、麻醉/药物干预、睡眠调控机制的核心实验手段[1]。本平台具备高通量并行采集睡眠能力，可同时监测 16～64 只实验鼠，如图 4A 为监测 16 只实验鼠；平台为每只动物配置独立摄像监测通道，同步集成输出控制指令模块，能够在睡眠信号记录过程中实时施加神经电刺激等闭环功能。开展睡眠相关信号采集时，推荐设置采样率为 1 kHz，可稳定获取信号，用于后续睡眠分期、脑活动动态变化等定量分析，适用于睡眠障碍、神经调控、脑病模型等相关研究。

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运动

在神经科学动物行为学评估体系中，除中枢电生理信号采集外，肢体运动与步态特征是评价运动环路功能、神经损伤后运动恢复水平的核心行为学指标[2-4]。实验中，可将 ECOG 电极（KD-PECOG）或PI薄膜电极（KD-PIFE）等植入实验动物脑内，并连接至跑步机（以大鼠为例）（图 4B）。跑步机步态分析具有行走速度可控、成像条件稳定、步周期与肢间协调参数可量化等优势，能够客观捕捉神经调控干预引起的细微运动学改变。基于跑台与高速摄像的步态采集范式，可提取垂直高度、关节角度、线速度、角速度、步态时相、空间运动链等多维度步态参数（图 4C），已广泛应用于脊髓损伤、帕金森病、周围神经损伤等动物模型的功能评估。

图 4 行为学同步采集

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听觉、视觉、体感等诱发电位

诱发电位能够以无创、敏感且定量的方式评估体感、听觉及视觉通路的神经功能完整性。其基本原理是：以可控方式施加感觉、听觉或视觉刺激，诱发神经组织产生去极化与复极化冲动波。以听觉诱发为例，图 5A-5B 展示了采用 W-array 电极埋植于听觉皮层所记录的听觉诱发电位，包括单一波形（图 5A）及平均波形（图 5B）。

图 5 诱发电位

四

进一步验证

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人体脑电帽

脑电帽（EEG cap）通过多通道电极阵列在头皮表面同步采样电位，时间分辨率高，适合记录神经群体活动的瞬时变化；其测量结果可量化，因而便于进入后续算法分析。随着机器学习与实时算法成熟，这类数据已不局限于机制研究：既可用于行为状态解码、病理放电识别，也能依据个体反馈即时调整刺激参数，把基础神经科学的问题接到临床与工程应用中。进一步与玖机配合，脑电信号还可被解释为更具体的认知指标，用于视觉加工、记忆编码与维持、阅读相关能力等检测（图6A、6B）。

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离体 MEA

离体 MEA-3D 微针电极（图 6C）面向离体组织、器官切片、类器官与细胞培养体系，采用可刺入样本的 3D 微针阵列，在贴近细胞的位置同步采集场电位与 spike 等电生理信号，即切即采，无需长时间孵化培养就可以获得更高的时空分辨率，最终通过多模一体采集刺激玖机系统完成记录与干预。该平台适用于神经疾病模型进程追踪与神经保护策略评估、培养细胞和神经元动作电位/场电位记录、药物筛选与安全性评价、基于阻抗的细胞活性与毒性分析，以及 3D 细胞培养和组织工程中的长期动态监测。

图 6 脑电帽 & 离体 MEA

科斗（苏州）脑机科技有限公司（科斗脑机 KedouBC）对开头的问题历经十余年给出的答案：用一台『天眼』设备---科斗玖机，把多只动物的多模态生理信号，同时完成监测与调控。

一台设备同时检测电化学、Spike、LFP、EEG、EMG、ECG、呼吸节律、血压、体温等多模态生理信号，能够覆盖 1024 通道，支持离体脑片、类脑器官、细胞、脑电帽、侵入式、半侵入式等多种实验形式，可接入 64 只实验动物，几乎覆盖全物种——从鼠、兔、犬、猪、猴到人，从鱼、虾、蟹，到鸟类、昆虫与植物。同时给予光遗传/化学遗传/电刺激/药理学干预，从更高维度上拆解机制、验证因果，并为行为、病理与干预研究补充更完整的数据证据，形成了逻辑链的「闭环」。真正意义上把「细胞身份—环路活动—整体生理状态」放进同一条时间轴。

设备之外：一台能持续成长的科研平台

很多科研设备买回来，实验能力就「定型」了。玖机则把升级放进了使用周期里：软件免费升级，技术免费培训。它不是一个固定功能的仪器，而是一个能跟着课题一起成长的平台。

同时，玖机背后是一整套行业资源的护航：40+ 种国产电极耗材直接配套，10 年产学研医积累覆盖研发、临床、生产到销售，海量实验技术案例视频与 VIP 定期培训提供持续支持。为您的科研构筑持久竞争力。

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内容策划：邹礼平

内容审核：钟可可

题图来源：图虫创意

参考与说明

[1] Thomas E. Scammell, Elda Arrigoni, Jonathan O. Lipton, Neural Circuitry of Wakefulness and Sleep, Neuron, 2017.

[2] A. Bozkurt, R. Deumens, J. Scheffel, D.M. O’Dey, J. Weis, E.A. Joosten, T. Führmann, G.A. Brook, N. Pallua,CatWalk gait analysis in assessment of functional recovery after sciatic nerve injury,Journal of Neuroscience Methods, 2008.

[3] Carmelo Bellardita, Ole Kiehn, Phenotypic Characterization of Speed-Associated Gait Changes in Mice Reveals Modular Organization of Locomotor Networks, Current Biology, 2015.

[4]Timotius IK, Roelofs RF, Richmond-Hacham B, Noldus LPJJ, von Hörsten S and Bikovski L (2023) CatWalk XT gait parameters: a review of reported parameters in pre-clinical studies of multiple central nervous system and peripheral nervous system disease models. Front. Behav. Neurosci, 2023.

· 光遗传学获奖信息：2026年诺贝尔生理学或医学奖授予 Karl Deisseroth、Peter Hegemann 与 Georg Nagel，以表彰其在光门控离子通道及光遗传学方面的发现。

· 玖机设备参数（128道、同时接入64只动物、8只×32道采集刺激一体）：以科斗脑机官方资料为准。