《Research》：The Optically Guided and Pre-assembled Implantation Cranial Window Reveals Cortical Spatial Representations during Navigation
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本研究针对头戴式微型显微镜长期成像中颅窗植入精度低、稳定性差的技术瓶颈，开发了光学引导预组装植入（OGPI）颅窗技术。该技术通过光学引导实现精准开颅，预组装确保成像平面平整，支持超过8个月的慢性大规模神经成像。行为学评估证实OGPI窗口不影响小鼠运动与空间认知能力。应用该技术，研究者在Y迷宫导航任务中发现空间位置、路径和加速度调谐神经元以“椒盐”模式广泛分布于多个皮层区域，并成功解码了小鼠的位置和路径信息。该研究为自由行为动物慢性神经成像提供了关键技术平台，并揭示了空间信息在皮层的广泛表征。
理解大脑如何在自然行为中编码和处理信息，是神经科学领域的核心目标。这要求我们能够在细胞分辨率上，长期、稳定地记录自由活动动物大脑中成千上万个神经元的协同活动。头戴式微型显微镜的出现为这一愿景带来了曙光，使得在自由行为动物身上进行神经成像成为可能。然而，这项技术的长期应用严重依赖于特定且可靠的颅窗设计。传统的颅窗植入方法面临几大严峻挑战：开颅精度难以控制，手术风险高（尤其是涉及重要硬脑膜静脉窦时），成像窗口的长期稳定性不足（易受感染或结缔组织增生的影响），并且沉重的显微镜本身带来的机械应力也时刻考验着植入体的稳固性。更重要的是，覆盖大面积脑区的大型颅窗是否会影响动物的自然运动和认知功能，也一直是个悬而未决的问题。这些技术瓶颈极大地限制了我们深入探索大脑在自然状态下如何工作的能力。
为了突破这些限制，一项发表在《Research》杂志上的研究介绍了一种名为光学引导预组装植入（OGPI）的标准化颅窗技术。这项研究旨在为解决头戴式微型显微镜长期稳定成像的难题提供一个可靠的技术平台，并利用这一平台揭示大脑皮层在空间导航中的功能奥秘。
研究人员开发的关键技术方法主要包括：1. 设计了一种集成了光学引导系统的定制化工具，用于在颅骨表面投影精确的环形标记，指导高精度开颅；2. 创新性地在手术前将玻璃盖片与金属基板预先组装成一个整体单元（即“预组装”），确保了头戴显微镜安装后整个视场的成像焦面平整；3. 建立了一套标准化手术流程，该流程兼容半自动化操作（使用RWD 71000系统）和手动操作，以适应不同实验室条件；4. 利用转基因小鼠（如Rasgrf2-2A-dCre/Ai148D小鼠，通过甲氧苄啶诱导皮层2/3神经元表达GCaMP6f钙指示蛋白）进行在体钙成像；5. 结合头戴式微型显微镜、宽场显微镜和双光子显微镜等多种成像模态，对皮层神经元活动进行长期、大规模的记录；6. 设计了基于Y迷宫的自适应导航行为范式，并利用机器学习模型（如Segment Anything Model 2, SAM2）对动物行为进行精细分析；7. 应用先进的神经网络解码器（如基于Transformer和长短时记忆网络LSTM的模型）和降维工具（如CEBRA）来分析群体神经元活动与行为之间的关系。
OGPI颅窗方案：工作流程与定量基准
研究团队首先详细展示了OGPI技术的完整流程。他们设计的定制光学引导器能向小鼠颅骨表面投射一个边界清晰的8毫米光环，以此作为开颅的标记。通过将引导器与立体定位仪结合，实现了深度可控的精确钻孔。更重要的是，他们采用了预组装策略，在植入前使用紫外线（UV）固化胶水将玻璃盖片固定在金属基板上，这从根本上保证了后续头戴显微镜成像时整个大视场（FOV）的清晰度。定量评估显示，与传统手动操作相比，OGPI方法显著缩短了手术时间，并且成功率极高（34例手术中成功32例），有效避免了影响成像的胶水泄漏问题。
OGPI颅窗支持长期、多模态皮层成像
研究人员对植入OGPI颅窗的小鼠进行了长达8个月的追踪。结果表明，该颅窗在植入30周后仍能保持良好的结构完整性和光学透明度。通过在不同时间点（2、4、6、8个月）进行在体钙成像，他们发现视野内的神经元数量没有显著变化，证明了其用于慢性记录的稳定性。此外，OGPI颅窗还兼容多种成像技术，包括宽场显微镜的大规模钙成像、双光子显微镜对树突等亚细胞结构的高分辨率成像，以及通过内在信号成像（ISI）与艾伦脑图谱进行脑区对齐。即使在挣扎、旋转、转圈甚至强直-阵挛发作等极端行为下，颅窗也表现出优异的机械强度。
OGPI颅窗保留自然运动功能和空间认知功能
一个关键的问题是，覆盖了运动皮层、体感皮层等多个脑区的大型颅窗是否会干扰动物的正常行为？为此，研究团队进行了严格的行为学检验。在旷场实验中，他们利用SAM2机器学习模型客观分析了小鼠的运动学参数，发现植入OGPI颅窗的小鼠与对照组在总运动距离、速度、加速度、曲折度、焦虑相关的中心区域进入次数等指标上均无显著差异。在Y迷宫空间导航任务中，两组小鼠的学习曲线高度相似，都能在训练后高效地在水奖励臂之间穿梭，任务完成时间、正确进入奖励臂的比例以及错误舔舐率均无组间差异。这些结果强有力地证明，OGPI颅窗并未损害小鼠的自然运动能力和空间认知功能。
从广泛的皮层活动中解码空间导航
最后，研究人员利用OGPI平台的优势，在Y迷宫导航任务中同时记录小鼠的皮层神经元活动和行为。他们发现了三类对导航行为有特异性反应的神经元：对特定位置反应的位置调谐神经元、对运动加速度反应的加速度调谐神经元，以及对特定路径反应的路径调谐神经元。令人惊讶的是，这些神经元并非集中在某个特定脑区，而是以“椒盐”模式广泛分布在整个成像的皮层区域。他们还鉴定出一部分对空间信息和线性加速度具有联合调谐的神经元。在群体水平上，利用CEBRA降维分析揭示了皮层神经元群体活动能够形成反映物理空间的神经流形。更重要的是，基于Transformer架构的解码器能够以77.33%的准确率预测小鼠在迷宫中的行进路径（从臂1到臂2或反之），而以84.98%的准确率解码其瞬时所在位置。即使剔除在奖励端口舔水行为相关的神经数据，解码性能也几乎不变，表明皮层群体活动中包含了对空间位置的稳健表征，而非仅仅依赖于特定的奖励相关行为。
研究结论与意义
该研究成功开发的OGPI颅窗技术，通过整合光学引导、预组装和稳固的头颅固定系统，为解决头戴式微型显微镜长期稳定成像的难题提供了一个高效、可靠且易于推广的平台。其高精度、高成功率和长期稳定性，使其成为在自由行为动物身上进行慢性大规模神经功能研究的强大工具。
利用这一技术平台，本研究获得了重要的科学发现：空间导航相关信息（包括位置、路径和自身运动加速度）并非如传统认为的那样仅局限于海马-内嗅皮层系统，而是以“分布式”的表征方式广泛存在于大脑皮层中。这种“椒盐”式的分布模式以及群体神经元活动对空间信息的高精度解码能力，深化了我们对大脑皮层在空间认知中作用的理解。特别是加速度调谐神经元与空间信息调谐神经元的共存，提示皮层可能参与了整合自身运动信息以更新空间位置的神经计算过程。
总之，这项工作不仅是一项关键的方法学进步，为神经科学研究提供了强大的技术支撑，更重要的是，它借助这一技术揭示了大脑皮层在空间导航中前所未有的广泛参与，为未来深入探索皮层在各种复杂行为中的功能机制打开了新的大门。研究的局限性包括手动移除骨瓣仍存在损伤风险，对小鼠颅骨侧方皮层（如岛叶）的覆盖存在挑战，以及未来需要更大样本量进行更深入的神经机制分析。
