在【腦科學研究攻略】專欄，brainnews特邀的作者將給大家分享他們總結的一些研究思路，供大家學習和借鑑，歡迎留言一起交流。
一個行為的產生是由大腦不同腦區協同工作下完成的。科學家也一直致力於對同一個大腦進行多腦區的神經元活動性記錄來進一步瞭解大腦編碼行為的功能。在很長一段時間內，受限於記錄技術的瓶頸，很難對多腦區同時記錄，無論是在體電生理記錄還是鈣成像記錄，在以往的研究中靠記錄探針或者電極的羅列最對2-3三個腦區進行同時記錄，涉及到更多乃至數量級上的改變就需要對傳統記錄技術硬件上的突破。
下面給大家介紹一下近幾年更新的新技術：高密度多通道電生理記錄、大範圍雙光子鈣成像、高通量多通道光纖記錄。這些方法為多腦區神經元記錄提供了強有力的技術支持。
圖源：thrivous.com
高密度多通道電生理記錄Neuropixels
多通道在體電生理技術是一個經久不衰的用來在行為任務下大量記錄某一腦區單個神經元放電信號的技術。2017年Neuropixels探針的發明，讓在體電生理技術又向前邁進了一大步。
Neuropixel探針在極窄的電極上提供了約1000個記錄位點，並且可以在不同深度的腦區進行同時記錄。我們不再侷限於研究一個或幾個大腦區域中的少數神經元的活動。取而代之的是，我們現在可以同時研究與行為相關的大部分神經元種群，從而揭示行為基礎的神經環路和系統的動態變化。
在2019年11月由倫敦大學的Nicholas A. Steinmetz在Nature上發表文章，利用Neuropixels在視覺區分任務下記錄了42個腦區大約3萬個神經元。編碼視覺刺激和即將出現的選擇的神經元包含新皮層，基底神經節和中腦部分區域。中腦神經元在對側選擇之前被激活，而在同側選擇之前被抑制，而前腦神經元可能偏向任一側。
這些結果揭示了在小鼠大腦中編碼行為相關變量的神經元分佈的組織原理。
大視野雙光子鈣成像
嚴格意義上，頭部固定的在體雙光子鈣成像技術並不能記錄任意多腦區的單個神經元響應信號。但由於可以將腦部打開一個視野較大的成像窗口，雙光子成像更適合對皮層進行大範圍成像（在不耦合Grin Lens透鏡的情況下），即可以記錄相鄰位置的不同皮層以及不同深度。
2019年12月，艾倫腦研究中心的主席，首席科學家Christof Koch，帶領70餘名科研工作者利用雙光子顯微鏡在包括12種轉基因的243只小鼠中記錄到不同類型神經元6萬餘個，來了解大腦如何處理感官信息來指導行為。研究人員基於多種刺激的可靠性對神經元進行分類，並使用視覺反應模型驗證該分類功能。
在2019年6月，加州大學聖地亞哥分校的Takaki Komiyama團隊同樣利用雙光子成像技術對小鼠不同區域皮層的錐體神經元進行記錄。觀察小鼠在決策更多依賴經驗還是價值。在記錄了不同皮層4.5萬個神經元之後，研究發現後壓皮層（RSC）通過持續性放電進而編碼價值信息。
高密度多通道光纖記錄
不同於雙光子鈣成像和多通道在體電生理，光纖記錄技術沒有細胞分辨率，但優點是實驗技術較為簡單，成本較低可以用於不同區域腦區篩選。
在2016年光遺傳學鼻祖Karl Deisseroth研究小組發表於Nature Method上的文章將光纖記錄在一個大腦的記錄位點最多擴展為7個，在2019年發表於Nature Method上，Fritjof Helmchen 課題組突破光纖記錄接頭的硬件技術瓶頸。
利用陣列光纖接口，研究人員最多可以在一隻小鼠上同時記錄48個不同的位點。這樣小鼠進行某一行為的過程中，研究人員就可以同時記錄不同腦區的群體神經元活動性。
每一個行為的背後都是由多個行為子單元組成的，我們很難單獨剝離出一個不可分割的最小行為元素。越來越多的研究也證實每一個行為背後都是由多腦區不同類型神經元協同放電編碼而來的。
多腦區神經元活動的相關性與協同放電的研究有助於我們對神經網絡工作原理的深入探究。多腦區神經元活動性記錄也有助於我們觀察在學習或者疾病進程中多腦區神經網絡協同功能的變化機制，更有助於繪製大腦神經網絡功能性圖譜。
參考文獻：
1.Steinmetz, N. A., Zatka-Haas, P., Carandini, M. & Harris, K. D. Distributed coding of choice, action and engagement across the mouse brain. Nature 576, 266–273 (2019).
2.Steinmetz, N. A., Koch, C., Harris, K. D. & Carandini, M. Challenges and opportunities for large-scale electrophysiology with Neuropixels probes. Curr. Opin. Neurobiol. 50, 92–100 (2018).
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編譯作者：Soda（brainnews創作團隊）
校審：Cong and Simon（brainnews編輯部）
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