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【inscopix文章】Cell Reports:下一代BCI——光学可穿戴系统

发布时间: 2021-09-03

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Inscopix展示了基于光学的“可穿戴”成像系统nVista,用于实时测量非人类灵长类动物的大脑活动,这项研究有望促进对大脑健康的理解,并加快下一代精确定位和脑机接口(BCI)的开发。


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Inscopix, Inc.是一家在脑科学领域取得突破的神经技术公司,展示其基于微型显微镜(miniscope)的可穿戴脑成像设备nVista™实时测量猕猴的大规模神经活动。建立这一强大的用于非人灵长类动物(NHPs)的平台有望促进人们对健康和疾病中人类大脑功能的理解,并将为下一代神经精神疾病和其他大脑疾病的精确干预——包括脑深部刺激(DBS)和脑机接口(BCI)提供更多精确的方法。

图1 Inscopix nVista系统

图1 Inscopix nVista系统


在猕猴大脑上安装可穿戴脑成像设备


Inscopix的头戴式显微成像系统在执行自然运动行为的猕猴上将神经元的变化实现了可视化,这是一种基于钙荧光动态变化的神经元钙成像方法在猕猴背侧前运动皮层看到了超过100个遗传编码的神经元。研究人员在长达数月的时间里反复成像来自同一神经元的活动——允许长期追踪神经系统动力学及其与特定行为的关系。猕猴手臂不同方向运动时,观察到了神经元的选择性活动,可以用来解码动物的伸手行为的个别试验,其准确率超过了85%。

猕猴手臂运动时,观察神经元的活动

猕猴手臂运动时,观察神经元的活动


“非人类灵长类动物在大脑结构、复杂行为和高级认知功能方面与人类非常相似,”Inscopix转化科学高级主任、该研究的作者Jonathan Nassi博士说。“对非人灵长类动物的特异性神经元群体的长时间记录将加速对人类大脑功能和行为的理解,并为当今缺乏有效整治方案的神经精神疾病及其他大脑疾病提供临床相关的见解。”


除了更好地理解人类大脑疾病之外,这项研究的成果也为非人灵长类动物的未来应用打开了大门,这为更精确和更复杂的DBS和BCI科研提供了的更多的方法。虽然通过DBS和BCI设备在治运动功能障碍(如脊髓损伤后的帕金森病)方面取得了重大进展,但其进一步的进展目前比较缓慢,因为现在的手段主要依赖于基于电学方法,这种方法在采集或刺激脑细胞的数量上还相对局限,而且对神经元的遗传特性和空间构成是盲目的。


加州大学伯克利分校的电气工程和神经科学教授,加州大学伯克利分校和加州大学旧金山分校神经工程和假肢中心联合主任Jose Carmena博士说:“非人灵长类动物上,使用基于光学的显微镜成像观察具有很大的潜力,可以更好地理解DBS的局部细胞效应,优化刺激方案以增加实验效果。这些测量也将为未来临床可行的神经技术的设计提供有价值的信息,并将为算法和信号处理的进步提供令人兴奋的机会。”


目前Inscopix的显微成像系统已广泛应用于临床前动物模型的观察,为科研项目的开发和优化提供了新的见解,Inscopix的远景目标是在未来为临床提供更准确的信息。鉴于针对人类大脑的基因疗法的快速发展,它使用相同的病毒来表达基因编码的活动传感器用于nVista成像,未来在人类中发展基于光学的BCI几乎没有障碍。


Inscopix的首席执行官Kunal Ghosh博士说:“nVista系统,拥有全高清传感器,实现了长期记录自由行为动物大脑深层区域的成百上千个神经元。随着通信和高带宽接口的改进,我们预计未来的系统将达到10 Gbps的数据速率,能够记录超过10000个神经元。这使我们可以与支持BCI的电生理学技术相媲美,但基于光学方法的重要优势是,可以在一段时间内从遗传编码的神经元中进行更高密度的记录。”


这项研究由加州国家灵长类动物研究中心与德克萨斯大学奥斯汀分校、加州大学戴维斯分校和加州大学伯克利分校的研究人员合作进行。这篇题为“行为猕猴背侧前运动皮层头戴显微内窥镜钙成像”的文章于2021年6月15日在《Cell Reports》杂志上头一次发布。

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参考文献:


Bollimunta, A., Santacruz, S.R., Eaton, R.W., Xu, P.S., Morrison, J.H., Moxon, K.A., Carmena, J.M., Nassi, J.J. (2021) Head-mounted microendoscopic calcium imaging in dorsal premotor cortex of behaving rhesus macaque, Cell Reports, 35(11), 109239.

DOI: https://doi.org/10.1016/j.celrep.2021.109239



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