SPOUT: An open-source hardware and software platform to study decision making while manipulating and recording from neural activity
本文介绍了 SPOUT，这是一个开源、低成本的硬件和软件平台，它将精确的神经记录与光遗传学操控相结合，并配合灵活的决策任务，用于研究头固定小鼠行为中的神经机制。
原始论文采用 CC BY 4.0 许可（https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/）。 这是一篇未经同行评审的预印本的AI生成解释。这不是医疗建议。请勿根据此内容做出健康决定。 阅读完整免责声明
为了理解小鼠是如何决定向左转还是向右转的，科学家们必须做的不仅仅是观察动物。他们需要看到在做出选择的那一瞬间大脑的电活动，并且需要能够轻轻地干预那种活动以观察会发生什么。这需要一种微妙的平衡：动物必须足够安静，以便高功率显微镜能够观察单个脑细胞；同时又必须足够自由，以便能移动头部和舌头来完成一项任务。几十年来，研究人员一直致力于构建一个能够记录大脑、控制行为并向大脑传递精确光信号，同时还能保持完美时序性的系统，但一直难以实现。如果测量行为的时钟与记录大脑的时钟之间出现了哪怕极其微小的偏差，行为与思维之间的联系就变得无法破译。
哈佛医学院的一个团队现在构建了一个解决这一问题的新工具，创建了一个名为 SPOUT 的完整开源系统。这个名字代表“状态机操作性单/双喷嘴任务平台”（State-machine Platform for Operant Uni/dual-spout Tasks），但在实际应用中，它是一个多功能机器，允许小鼠在解决决策谜题的同时，让科学家实时观察它们的大脑。该系统的设计旨在经济实惠且易于使用，用一系列标准零件取代了昂贵的定制化装置，任何实验室都可以进行组装。其核心是一个小型计算机芯片，充当着指挥家的角色，协调水奖励的递送、舌头运动的记录以及向大脑发射光束，其精度以百万分之一秒来衡量。
研究人员通过教小鼠玩一个简单的游戏来测试该系统。小鼠头部固定不动，面对两个小管。当声音响起时，小鼠必须选择舔左侧管或右侧管以获得一滴水。诀窍在于，声音并不会告诉小鼠哪一个是正确的管子；相反，正确的管子会在没有预警的情况下每隔几次尝试就发生变化。小鼠必须通过记住哪种选择带来了奖励，而哪种选择一无所获，来摸索出其中的规律。利用 SPOUT，团队观察了小鼠在许多天内学习这个游戏的过程。起初，小鼠是随机猜测，但随着经验的增加，它们学会了在出错后立即切换选择，并坚持在获胜的一侧。系统记录每一次舔舐都极其精确，以至于研究人员可以观察到小鼠的行为从困惑转向自信的确切时刻。
为了证明该系统也能控制大脑，科学家们使用了一种称为光遗传学（optogenetics）的技术，这种技术允许他们利用光来开启或关闭特定的脑细胞。他们将注意力集中在被称为前外侧运动皮层（anterior lateral motor cortex）的区域，这是一个已知参与规划运动的大脑区域。当他们在小鼠准备做出选择时，向大脑的这个部分闪烁蓝光，小鼠的行为会立即发生变化。如果光线照射到控制身体右侧的大脑侧面，小 most 会突然停止舔右侧管，转而开始舔左侧管。这种情况仅在光亮开启时发生，且一旦光灭，效果便消失，这表明该系统可以精确地中断大脑的规划过程，并实时观察动物的决策如何瓦解。
研究人员还将这一设置与一台强大的显微镜相结合，在小鼠玩游戏时拍摄大脑细胞的照片。由于该系统保持了完美的时间同步，他们可以将小鼠舔舐管子的确切时刻与大脑中数千个神经元的活动相匹配。他们发现，当小鼠选择向与受刺激大脑区域相对侧的方向舔舐时，脑细胞的放电强度比向同侧选择时要强得多。这证实了当动物准备向特定方向移动时，这些特定的脑细胞会更加活跃。系统将行为、光刺激和大脑成像进行同步的能力，使其能够清晰地观察到这些模式，而这在以前使用同步性较差的设备时是不可能实现的。
这项工作的意义不仅在于关于小鼠大脑的发现，更在于工具本身。研究人员将构建 SPOUT 的所有蓝图、代码和说明书免费向公众开放。他们证明了，进行复杂的、高精度的神经科学实验并不需要花费数万美元，也不需要一个工程师团队来构建。通过使用标准的微控制器和现成的零件，他们创建了一个足够稳健、可以连续运行数千个实验环节的平台。该系统具有灵活性，允许科学家在不重写底层软件的情况下更改游戏规则或大脑记录类型。这种开放性意味着世界各地的实验室现在都可以使用相同的精度进行同样的实验，从而更容易比较结果并建立对大脑如何做出决策的共同理解。
研究结论指出，SPOUT 是研究大脑活动与行为之间联系的一种可靠且易于获取的方式。它成功地证明了小鼠可以根据过去的奖励学习复杂的规则，特定的脑区可以被暂时抑制以改变这些决策，并且由此产生的神经活动可以被高保真地记录下来。研究人员并未声称已经解决了决策之谜，而是提供了一种清晰、可重复的方法来提出这个问题。通过消除阻碍许多实验室开展此类工作的技术壁垒，该团队为更广泛的科学界探索大脑如何引导行动打开了大门——通过一次精准的舔舐，一步步深入探索。
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