从神经行为学嵌入中解码自然行为

我的研究旨在理解神经动力学如何编码自然行为，以及大脑如何控制在自然环境中支持生存的复杂动作。传统的固定头部范式限制了我们对自然行为的理解。我们的实验方案通过在自由活动的动物中实现精确的神经行为解码，推动该范式的发展，以实现对自然脑智能的深入探索。

我们将专注于收集丰富的非受控数据，通过整体性方法构建数字生命模型，以理解复杂生命系统中的智能。首先，将三维行为装置的同步模块的通用串行总线电缆连接到该装置的同一工作站。然后，使用一根SMA电缆将mTPM装置的同步模块连接到其控制器。

使用一根SMA转BNC转换电缆，将三维行为记录设备同步模块的TTL输出端口连接到mTPM设备同步模块的TTL输入端口。开始校准前，调整全部四个摄像头的拍摄角度，使其覆盖开阔场底部的整个区域，并将视野向上延伸至最远边界至少20厘米，以捕捉小鼠直立行为。然后，将校准模块放置在拍摄区域的中心位置。

关闭所有灯光并运行相机校准软件。现在，将小鼠固定器安装到显微操作仪（mTPM）的微操纵器上。使用金属板将小鼠头部固定在固定器上。

关闭所有灯光。然后，将 mTPM 固定到其支架上，打开成像系统以定位荧光信号。在颅窗顶部添加一滴卡波姆眼用凝胶。

使用运动平台移动小鼠，使颅窗正对多光子显微镜物镜下方。调节显微操作器的垂直位置以确定成像平面，然后在平面内移动显微操作器，使成像区域居中。

然后，将上基座固定到 mTPM 上。使用粘合剂将下基座粘接到上基座，并将其固定在颅窗上。为确保结构稳定性，需使用高性能丙烯酸结构粘合剂填充两个基座之间以及附着在小鼠头部的金属板支架之间的间隙。

然后，用镊子轻轻探查基底部，评估粘合的稳定性。接着，向基底腔内加入一滴卡波姆眼用凝胶。通过mTPM观察神经元的荧光。

如果荧光不清晰可见，使用颅骨钻去除粘合剂以取下基座，然后重复该操作步骤，直至获得清晰的荧光信号。随后，用胶带将铝箔固定在mTPM光纤与颅骨窗之间。

打开房间灯，测试mTPM所捕获图像帧的清晰度。将小鼠放入开放区域前，充入至少10个氦气球，并用棉线分别系好。然后，从小鼠固定装置上取下金属板。

用一只手轻轻抓住小鼠的尾巴，另一只手托住mTPM的光纤。小心地将小鼠放入开放场中。

通过将棉线固定在纤维上，悬挂氦气球。调整气球数量，使小鼠能够在开放区域内自由移动和探索而不受限制。关闭mTPM装置的门以减少外界干扰。

启动mTPM记录软件和同步软件。根据平台建立流程设置文件路径和记录参数。通过记录软件开始mTPM的记录。

检查同步软件，确认每个双光子图像帧的时间标记是否被准确记录。评估双光子图像的对比度在记录过程中是否保持稳定。同时确认小鼠的运动是否影响成像帧的稳定性。

现在，启动自定义的相机同步脚本以开始行为记录。根据平台建立流程设置文件路径和参数，然后使用自定义同步脚本开始行为记录。

确认同步软件中每30帧行为视频均存在时间标记。检查来自四台相机的所有视频流是否已正确同步。验证三维行为追踪系统的视频采集参数是否已正确设置。

当行为记录自动停止后，手动关闭 mTPM 记录和同步软件，以结束该次试验。相关系数矩阵未显示出与受试者姿态、物体姿态或身体距离相关的特定神经元模式，表明神经信号与行为指标之间的对应关系较弱。所有神经元-行为相关系数均介于 0.3 至 0.3 之间，证实了在自然条件下神经活动与行为之间关联性较弱。

源自斑马的神经嵌入形成了复杂的模式，包含多个联合嵌入的成分。在三对小鼠中，斑马嵌入表现出行为变量与神经变量的一致性对齐，尤其体现在身体距离和社会行为模式上。身体距离嵌入的解码误差显著高于主体与客体姿态，但仍处于预期的追踪误差范围内。

神经活动与多种行为变量的联合嵌入分析揭示了在不同受试者姿态、物体姿态和行为模式下均具有较高的解码准确率。以S1-受试者姿态嵌入作为参考进行的余弦相似性分析显示，与物体相关的行为模式具有较低的对齐度，提示其主要编码的是自身及社会行为信息。