一套系统同时驱动双光子显微镜与虚拟现实环境在 32 Hz 帧率下稳定记录清醒小鼠视觉皮层约 75 个神经元的活动。[COVER]cover.png01 挑战让小鼠边跑边被看见视觉是人类的主导感官。有个数字很能说明问题约 25% 的人脑用于处理视觉信息。但大脑并没有能力处理环境中的全部视觉刺激神经元必须从中挑出最相关的那部分来处理。这套系统要探究的是这种选择性背后的基本机制以及它如何引导行为。这里选择小鼠的视觉皮层作为模型系统理由有三条。第一小鼠身上有独特的先进遗传学工具例如用遗传学钙指示剂标记神经元从而测量单个神经元的活动水平。第二小鼠视觉皮层的组织与功能在很多方面与人类相似。第三小鼠能完成复杂的视觉行为这些行为映射出人类行为的许多特征。真正的难点在于近年研究显示动物主动行为时的视觉皮层反应与被动观看时截然不同。要研究学习过程中神经元群体的反应如何变化就必须让动物在交互式行为任务中被记录——而不能把它固定住、给它放一段电影。02 难点一个实验两套必须对话的实时系统要做的事有两件用高速双光子显微镜测量小鼠视觉皮层的神经活动同时用虚拟现实环境实现精确的视觉刺激控制并还原动物主动与环境交互的场景。这立刻把实验复杂度推高了一个量级。系统需要同时监测多个行为变量还要用这些变量反过来实时更新视觉刺激。也就是说成像链路和行为链路不能各干各的它们必须完全集成、互相喂数据。这一点很直白建立一套数据采集与 VR 完全集成的系统至关重要。03 方案LabVIEW 做中枢两条链路并行小鼠奔跑与舔舐 → 游戏鼠标光学传感器采集速度、NI-VISA 读取 → UDP 端口送入 Unity VR 更新位置 → 视觉刺激随之改变 → 12 kHz 谐振扫描器触发 FlexRIO FPGA → NI 5761 前端适配器采集光信号 → 降采样后写盘并显示成像这一侧用的是自行搭建的定制显微镜。双光子显微的物理过程是强激光激发被钙指示剂标记的神经元中的荧光分子分子受激后发出光线由高灵敏度探测器光电倍增管记录发光量反映神经元的激活强度。光束由两面镜子移动一面逐步移动的振镜扫描器一面高频谐振的谐振扫描器。谐振扫描器的引入是关键。它提高了激光束扫过大脑的速度而这既改善了单个神经元反应的时间分辨率也增加了可记录的细胞数量。更快的采集速率这套系统里是 32 Hz还带来另一个好处改善脑组织运动的校正——对成像清醒活动的动物这一点尤其重要。发出的光穿过显微镜物镜经红色和绿色滤光片后进入光电倍增管。探测到的光信号被放大经 NI 5761 前端适配器模块送入 NI FlexRIO PXI Express FPGA 模块。FlexRIO 在每个扫描周期接收来自 12 kHz 谐振扫描器的触发输入据此移动振镜扫描器的位置并对进来的信号做快速预处理。数据随后被降采样、写入磁盘并显示给用户。仪器控制分了两个 API分束器等部分仪器由 NI-VISA 通过 USB 连接控制扫描器等其他仪器则由 NI DAQ 卡提供的数字与模拟信号、经 NI-DAQmx 控制。行为这一侧同样自成体系。VR 环境用 Unity 游戏引擎搭建LabVIEW 负责控制其中的移动。小鼠在圆形跑道上奔跑的速度由一颗改造过的游戏鼠标光学传感器读取在 LabVIEW 里通过 NI-VISA 监测这个信号经 UDP 端口从 LabVIEW 发往 Unity用来更新动物在 VR 中的位置。动物学会分辨不同视觉刺激后用舔舐出水口的方式报告自己的选择舔舐由压电片传感器检测。选择正确就触发牛奶奖励经舔舐口送达。舔舐检测、奖励触发和奶阀控制都由 LabVIEW 与 NI DAQ 硬件管理。显微镜的图形用户界面也是用 LabVIEW 开发的用户可以控制数据采集并可视化进来的数据。界面上还加了一个功能叠加同一皮层位点此前记录的数据从而跨天追踪同一群神经元的活动。04 结果这套系统典型情况下从约 75 个神经元上、以 32 Hz 的帧率测量活动。因为帧率与可成像面积之间存在取舍也可以在更低帧率下成像换取更大的大脑成像面积和更多的神经元。在 VR 控制界面上操作者可以在线调整任务参数比如虚拟走廊的长度以及根据小鼠表现决定给予奖励的位置。换一种行为任务版本界面也能方便地改出不同的控件。另一个界面则用来选择记录哪些模拟信号和 USB 相机并监视进来的行为数据。这套系统相比其他方案最大的优势在于灵活性——来自不同厂商的设备与驱动可以方便地集成进来以增加功能、优化性能软件也能轻松修改以配合实验流程。LabVIEW 内在的多线程能力让集成不同仪器的第三方驱动、并让它们在 LabVIEW 内并行运行变得直接。05 这类项目能给我们什么启示实时闭环是分水岭一旦采集结果要反过来决定刺激输出系统就从记录仪变成了闭环控制器。这类需求要在方案阶段就识别出来后期再补同步代价远高于一次性设计。把高频预处理交给 FPGA12 kHz 的扫描触发上位机软件不可能稳稳接住。凡是高频、要求确定性的事件交给 FPGA 做预处理和降采样主机只处理已经瘦身过的数据。接口各用其所长USB 仪器走 NI-VISA板卡 IO 走 NI-DAQmx跨进程通信用 UDP。同一套软件里并存多种驱动不是妥协而是这类多厂商系统的常态。给以后要加东西留余地界面能扩、参数能在线改、任务版本能切换。在科研场景里这些往往比峰值性能更被看重。06 写在最后当实验对象是活体、刺激必须在毫秒级给出、同时还有几十路信号要实时记录时测控系统的确定性就是科研的底气。这类多路高速 实时闭环的系统我们在科研一线的实验台架上做过不少。我们专注 LabVIEW 软件开发与测试测量系统集成从硬件选型、方案设计到现场交付调试提供一站式服务。像本篇这样显微镜成像与行为刺激必须实时闭环的系统正是我们最常接的一类活。有需求欢迎在评论区留言身边朋友有类似项目也欢迎帮忙引荐。