行为神经科学研究存在两项关键需求：一是对大规模神经群体活动进行长时间记录，二是记录动物自然状态下的行为。近年来，行为追踪和量化技术取得了重大进展，电生理记录、光学成像以及神经集群驱动技术的进步，使得活动状态下的动物神经记录成为现实。然而，记录设备的重量和电池寿命严重限制了自然活动和长时间记录的能力。

近期，麻省理工学院脑与认知科学系研究人员研发了一种开源的数据采集平台，ONIX系统。ONIX具备卓越的数据吞吐量和极低的闭环延迟，能实时追踪三维空间中的头部位置与旋转，且支持多种数据源。该系统能长时间记录在三维地形中自由活动的小鼠，极大地提高了实验的灵活性和数据采集的全面性，为高质量神经活动的采集提供了强大的技术支持。相关研究成果于2024年11月11日发表于《Nature Methods》期刊。

结果

研究人员开发了一个开源的多仪器硬件标准和应用编程接口API，称为开放神经接口ONI。并基于此构建了模块化、可扩展的数据采集与行为追踪系统“ONIX”，有效减少了大规模神经记录对小鼠行为的影响。系统采用轻薄的微同轴采集线（图1c），显著减轻了对动物头部的力（图1d）。

首先，ONIX系统通过小型电机自动解开采集线，无需测量扭矩，从而避免了传统采集线记录的行为影响与时间限制，实现了神经活动和行为监测的长时间记录（图2和图3）。其次，采集线负责数据传输（150 MB/s，相当于2,500通道的神经信号）及设备供电。ONIX包含模块化、微型化的头部接口设备（图1和图4），支持无源电记录探针、电极驱动器（Intan RHD和RHS芯片）及Neuropixels探针。此外，头部接口通过板载传感器以约30 Hz记录头部六自由度（6 d.f.）姿态，具备2°角度分辨率和亚毫米级位置精度，基于绝对角度传感器和消费级三维追踪系统实现。

Fig2. a, 实验概述。小鼠在由不同高度的发泡塑料块制成的3D场地中自由探索。b, 未植入设备、带有标准采集线（顶部）或ONIX微同轴（底部）的小鼠使用多摄像头、无标记姿态估计方法进行3D追踪。c, 在记录过程中头部偏航和俯仰角度的分布。d, 记录过程中的速度分布。e, 记录过程中鼠标轨迹的二维投影。

Fig3. a,在长达 7.3 小时的 ONIX 录像中，小鼠自由探索 3D 场地时，headstage上 3D 跟踪传感器的位置。b, 跳跃的视频帧。c，记录第 1 小时（顶部）和第 7 小时（底部）两个通道的原始电压和尖峰振幅。d, 整个记录期间的三维位置、朝向和放电率。e, 跳跃附近的数据，与d数据相似。f, 跳跃期间，71个神经元的z位置、原始电压轨迹示例和分类后的尖峰。

长期神经生理学与自由行为研究

随后，研究人员测试了ONIX系统在自由活动的小鼠中持续长时间的神经信号记录能力。植入微型驱动器的小鼠在1.5 × 1.5 × 0.5米的三维竞技场中自由探索，包括跑动、攀爬和跳跃（图2、图3）。

l 采集线对行为的影响比较：为对比ONIX与传统采集系统对行为的影响，研究人员将标准采集线（Intan SPI）与弹性带平衡以消除重量差异，并与ONIX微同轴采集线交替使用（图2e）。尽管标准采集线通过零扭矩换向器减少了部分机械负担，但其施加的额外力（图1d）仍显著限制了小鼠的自由探索和头部运动自由度（图2c-e）。与一些数字采集线（如Neuropixels的双绞线或Miniscope的同轴电缆）相比，ONIX微同轴采集线重量更轻、灵活性更高，并且提供零扭矩换向功能，避免了行为限制和缩短了记录的时间。

l 自然行为下的对比验证：为验证ONIX与未植入探针条件（对照组）的差异，研究人员通过五台摄像机对对照组小鼠进行了无标记三维追踪（图2e）。经过4小时数据对比，ONIX下的小鼠与对照组小鼠在竞技场探索程度和头部朝向分布上无显著差异。此外，ONIX与对照组相比，奔跑速度中值提高约12倍，最大速度提高约2倍（图2d）。

l 长时间记录与复杂行为：为研究在无干扰行为情况下长时间记录的实用性，研究人员在三维竞技场中，使用tetrode驱动装置对小鼠的压后皮层（retrosplenial cortex）进行了7.3小时的ONIX记录（图3）。小鼠表现出自然跳跃行为（图3a、b），同时记录到跳跃期间的神经活动（图3f）。这种行为在使用较重采集线的小鼠中并未出现。

为了验证ONIX在长时间记录中的稳定性，研究人员对一只小鼠进行了长达55小时的不间断记录，结果发现系统可靠运行，采集线未打结。实验表明，ONIX可在极长时间内实现高质量记录，同时保持对动物行为的最小干扰。

Fig4. a, ONIX结合Bonsai可以同时记录并同步多个数据源。b, 64通道细胞外headstage。配备3D追踪、电刺激器、双通道LED驱动和惯性测量单元（IMU）。Headstage收集的示例神经记录和相应的3D姿态轨。c, ONIX与Miniscopes兼容。d, ONIX  headstage可与两个 Neuropixels 探针和 IMU 配合使用，实现无扭矩换向器，以进行长期自由行为记录。

数据采集系统的开放标准

此研究展示了ONI标准的灵活性，ONIX系统可以同时采集和控制两种通用的第三方设备的数据：UCLA Miniscopes（图4c）和Neuropixels探针（图4d），并支持同时记录。研究人员通过Bonsai软件整合了多摄像头同步跟踪（图2）。

ONI硬件标准和API为开发者提供了简化的新探针和传感器集成方式，使其与现有设备兼容。这降低了各实验室设计特定实验仪器的门槛，同时提供了便捷的接口，支持软件与FPGA固件之间的通信。该标准还支持开发新型数据采集系统（如超高速相机），并确保设备间的通信。

讨论

在此研究中，麻省理工学院的研究团队开发了ONIX开源数据采集平台。ONIX系统可在小鼠及类似体型动物的自然行为中实现长时间、高带宽记录，且动物行为与未植入探针的动物行为无显著差异。ONIX系统能够减少动物疲劳，同时支持动物的自然行为运动。这将极大的推动诸多神经科学研究领域的发展，例如运动学习、自然行为中的感觉处理、社交行为、空间行为认知等领域。

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