OpenDrive: An Open-Source Microdrive for Large-Scale Neurophysiology
本文介绍了 OpenDrive，这是一种低成本、开源的微驱动系统，旨在为大型动物模型中的大规模神经生理学记录提供精确、可扩展且稳定的 Neuropixels-NHP 探针急性插入方案。
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
为了理解人类的心智，科学家们经常倾听单个脑细胞发出的电信号微声。几十年来，这种倾听需要精细的手动操作，研究人员需要将细长的导线逐一植入大脑，以捕捉少数几个神经元的信号。新一代工具改变了这一局面。这些工具是装载了数百个微型传感器的长而细的探针，能够同时记录大脑深处的数千个神经元。这项技术提供了一个机会，让我们去聆听大脑完整的对话，而不仅仅是几个孤立的声音。然而，这些新探针非常脆弱，需要标准实验室设备难以轻易提供的精准度。它们必须垂直向下移动，不得摇晃，并保持完美静止数小时。如果没有专门的工具来引导它们，损坏探针或大脑的风险很高，而且在大型动物（如猴子）中使用这些强大设备的潜力仍然有限。
麻省理工学院的一个研究小组开发了一种解决该问题的方案，称为 OpenDrive。这是一个定制设计的机器，专门用于将这些脆弱的探针以极高的稳定性植入大型动物的大脑中。该团队创建的系统不仅具有高度精确性，而且是开放给任何人进行构建和改进的，这与昂贵且难以修改的商业机器形成了鲜明对比。他们的工作证明，一个低成本、由社区构建的设备可以表现得与现有的昂贵工具一样好，甚至在某些方面更好。通过免费分享他们的设计和软件，研究人员希望消除阻碍许多实验室使用这种变革性技术的财务和技术壁一道槛。
OpenDrive 系统由两个主要部分组成：控制台和微驱动器本身。控制台充当操作的大脑，接收来自计算机屏幕的指令并将其发送给驱动器。驱动器是能够物理升降探针的小型轻量化电机。其设计的独特之处在于对简单性和稳定性的关注。驱动器围绕一根直金属轨构建，类似于抽屉滑轨中的平滑轨道，这迫使探针沿完美的直线移动。这种设计防止了探针在进入大脑时发生摆动或旋转。整个驱动器重量仅约 30 克，大约相当于一个小苹果的重量，这有助于防止在记录过程中晃动动物的头部。该系统还设计为可同时持有多个探针；研究人员已成功地将多达九个探针同时植入单个动物的大脑，从而允许他们同时监听许多不同的脑区。
为了证明他们的机器有效，该团队将 OpenDrive 置于与两台流行的商业机器进行的严格测试中。他们将激光器安装在每台机器的运动部件上，并观察随着机器下降，激光束落在传感器上的位置。如果机器发生摇晃，激光点就会在宽阔的圆圈内跳动。商业机器表现出明显的摇晃，激光点显著偏离航向。相比之下，OpenDrive 使激光点几乎保持完美静止，移动不到 3 微米。这意味着与商业选项相比，新机器减少了超过 95% 的侧向抖动。团队还测量了机器移动特定距离的准确性。他们发现，OpenDrive 的精度与最好的商业机器不相上下，且比另一种机器要精确得多，误差之小几乎无法测量。
除了实验室测试外，研究人员还在用 OpenDrive 进行与恒河猴进行的真实实验。他们成功地将探针植入大脑的各个部分，包括丘脑和小脑等深层结构，以及大脑的外层。在这些实验过程中，机器稳固地保持着探针，使团队能够记录数千个神经元的活动，而信号不会因偏移而失焦。该系统还包含软件，让研究人员能够实时看到探针在脑内的确切位置，并将探针路径叠加在动物大脑的 3D 地图上。这种视觉引导帮助科学家能够充满信心地瞄准特定目标。
这项工作的意义超出了机器本身的性能。多年来，进行此类研究所需的工具既昂贵又封闭，这意味着如果实验室想要更换零件或解决问题，必须等待制造商或购买新的昂贵单元。OpenDrive 则不同，因为它的每一个部分都是开源的。蓝图、代码和说明书都可供任何人下载、构建和改进。构建完整系统的总成本约为 5,000 美元，仅为同类商业系统所需 50,000 美元的零头。通过使这些工具变得触手可及且可修改，研究人员正在邀请全球科学界共同参与硬件的协作。他们相信，当科学家能够公开分享并改进他们的工具时，发现的速度将会加速，从而允许更多的实验室利用最先进的技术来探索大脑复杂的运作机制。
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