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NC:大规模记录自由活动小鼠的神经活动

摘要:目前以单细胞分辨率记录行为小鼠的大规模神经元活动的方法,要么需要将小鼠头部固定在显微镜下,要么需要将记录设备附着在动物的头骨上。这两种选择都会显著影响动物的行为,因此也会影响记录的大脑活动模式。在这里,我们介绍了一种不同的方法,利用一种叫做CaMPARI的钙传感器,从自由运动的小鼠身上获取单细胞皮层活动图的快照。CaMPARI具有一种独特的特性,当400nm的光照射时,它在活动神经元内的颜色会不可逆地从绿色变为红色。我们利用这一特性来展示在没有任何头部固定、捆绑或微型设备连接到鼠标头部的情况下,大脑皮质范围内的活动记录。当老鼠进行一系列行为和认知测试时,多个皮层区域被记录下来。我们在运动皮层和体感觉皮层中确定了任务依赖的活动模式,在运动皮层的亚区域之间存在显著差异,在几个活动模式和任务参数之间存在相关性。这种基于campari的记录方法扩展了在最小限制实验条件下记录自由运动和行为小鼠神经元活动的能力,并提供了目前无法获得的大规模体积数据。

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    近红外光谱实验新手指南

    本文介绍了功能近红外光谱(functional near-infrared spectroscopy, fNIRS)在技术、实验和分析软件方面的实用入门知识,目的是启发感兴趣的从业者考虑使用一种无创、多用途,但具有挑战性的研究大脑的途径(光学方法)。本文首先简要概述了相关的解剖学和光学基础,并讲述了一个简短的发展历程。并且描述了不同类型的光照 (透射、反射和差分反射)和数据采集方法(连续波、时域和频域),介绍了fNIRS系统的基本部件(光源、探测器和记录部件),给出了fNIRS技术的优点和局限性,随后以fNIRS进行的各种实验和临床研究为例,提出了非常实用的使用建议,为许多大脑相关疾病的研究提供了启发。最后,本文描述并讨论了一些适用于数据分析和结果呈现的免费工具包。综上所述,本文推荐使用fNIRS,是因为其不断增多的临床应用、最先进的神经成像技术以及可管理的硬件要求。可以有把握地说,fNIRS的广泛用途和低成本,为神经医学检查的箭筒增添了一支新的箭矢。本文发表在IEEE REVIEWS IN BIOMEDICAL ENGINEERING杂志。(可添加微信号siyingyxf或18983979082获取原文及补充材料)。

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    【腾讯云HAI】都2023年了,HAI没玩过AIGC?

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    人脑hub枢纽和功能连接的时间动态性

    神经成像技术观察到大脑网络连接的枢纽hub,普遍认为枢纽对建立和维持一个功能平台至关重要,在这个平台上可以发生有认知意义和高效的神经元交流。然而,枢纽是静态的(即大脑区域始终是枢纽),还是这些属性会随时间变化(即大脑区域的枢纽波动),我们知之甚少。为了解决这个问题,我们引入了两个新的方法概念,脑连接流和节点惩罚最短路径,然后应用于时变功能连接fMRI BOLD数据。我们表明,激活的枢纽以一种非平凡的方式随时间而变化,枢纽的活动依赖于研究的时间尺度。激活的枢纽数量中较慢的波动超过了预期的程度,这主要是在皮层下结构检测到的。此外,我们观察到枢纽活动的快速波动主要存在于默认模式网络中,这表明大脑连接中的动态事件。我们的结果表明,连接枢纽的时间行为是一个多层次和复杂的问题,必须考虑到特定方法对时变连接性的时间敏感性的特性。我们讨论的结果与正在进行的讨论有关,即静息大脑中存在离散和稳定状态,以及网络枢纽在为神经元跨时间通信提供支架方面的作用。

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    Nature neuroscience:功能核磁共振成像(fMRI)分析的计算方法

    认知神经科学的分析方法并不总是与丰富的功能磁共振成像数据相匹配。早期的方法侧重于估计单个体素或区域内的神经活动,在trials或blocks上取平均值并在每个被试中分别建模。这种方法大多忽略了神经表征在体素上的分布特性、任务期间神经活动的连续动态、在多个被试上进行联合推断的统计学方面的优势以及使用预测模型约束分析的价值。最近一些探索性的和理论驱动的方法已经开始寻找具备这些特性的方法。这些方法强调了计算技术在功能磁共振影像(fMRI)分析中的重要性,特别是机器学习、算法优化和并行计算等计算技术。采用这些技术将使新一代的实验和分析成为可能,这些实验和分析将改变大家对大脑中一些最复杂、最清晰的人类信号的理解,如:思考、意识和记忆等认知行为。本文发表在Nature neuroscience杂志。

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    任务和静息态下脑网络整合、分离和准周期性激活与去激活

    先前的研究表明,以网络整合和分离的方式表达的大脑功能连接组的重组可能对大脑功能发挥至关重要的作用。然而,已经证明很难在一个单一的方法框架中独立地完全捕捉这两个过程。在这项研究中,通过对瞬时相位同步和社区成员进行成对评估,我们构建了时空灵活的网络,这些网络反映了在空间和时间尺度上发生的整合/分离变化。这是通过迭代地将较小的网络组装成较大的单元来实现的,条件是较小的单元必须内部集成,即属于同一个社区。组装的子网络可以部分重叠,且大小随时间不同而不同。我们的研究结果表明,子网络整合和分离在大脑中同时发生。在任务执行过程中,网络之间同步的全局变化与实验的基础时间设计有关。我们表明,大脑功能连接组动力学的一个标志性特征是网络激活和去激活的准周期性模式的存在,在任务执行过程中,这种模式与实验范式的潜在时间结构交织在一起。此外,我们还证明了在整个n-back工作记忆任务中网络的整合程度与性能相关。

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    Nature Neuroscience综述:大规模神经元记录需要新理论来联系大脑和行为

    如今,神经科学家可以测量大规模神经元活动,也面临着将大脑的神经记录与计算和行为联系起来的挑战。在本综述中,我们首先介绍了用于探索大规模大脑活动的新兴工具和技术,以及在这些测量背景下表征行为的新方法。然后,我们重点介绍基于大规模神经记录中获得的发现,并讨论这些新型技术对传统理论框架带来的挑战。最后,我们详细阐述了现有的建模框架来解释这些数据,并讨论对大脑神经记录的解释需要的新理论方法以及这些方法所需的理解层次。这些在神经记录和理论发展方面的进步将为我们对大脑的理解取得关键进展做好铺垫。

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    大脑网络结构、功能和控制的物理学

    大脑的特点是结构连接的不同模式支持无与伦比的认知能力和广泛的行为。新的非侵入性成像技术允许全面测绘这些模式。然而,一个基本的挑战仍然是理解大脑的结构线路是如何支持认知过程的,这对个性化的心理健康治疗具有重大意义。在这里,我们回顾了最近应对这一挑战的努力,利用物理学的直觉、模型和理论,跨越统计力学、信息论、动力系统和控制等领域。我们首先描述了在空间嵌入和能量最小化的约束下,以结构布线为例的脑网络架构的组织原则。然后,我们调查了大脑网络功能模型,规定了神经活动如何沿着结构连接传播。最后,讨论了脑网络控制的微扰实验和模型;它们利用信号沿结构连接传输的物理学来推断支持目标导向行为的内在控制过程,并为神经和精神疾病的基于刺激的治疗提供信息。本文发表在Nature reviews Physics杂志

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    Nature reviews neuroscience:人类丘脑对全脑信息处理的影响

    丘脑是间脑的一个小的双侧结构,它整合来自中枢神经系统许多区域的信号。这种关键的解剖位置使丘脑能够影响整个大脑的活动和适应行为。然而,传统的研究范式一直在努力将特定的功能归因于丘脑,并且在人类神经影像学文献中仍未得到充分的研究。最近分析技术的进步和对大型高质量数据集的可访问性的增加带来了一系列的研究和发现,这些研究和发现(重新)确立了丘脑作为人类认知神经科学感兴趣的核心区域,否则这个领域仍然是以皮质为中心的。从这个角度来看,我们认为使用全脑神经成像方法来研究丘脑及其与大脑其他部分的相互作用是理解信息处理系统级控制的关键。为此,我们强调了丘脑在形成一系列功能特征中的作用,包括诱发活动、区域间连通性、网络拓扑和神经元变异性,无论是在休息还是在认知任务的执行过程中。

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    Trends in Neurosciences:基于信息的无创经颅脑刺激方法

    认知神经科学的进展依赖于方法学的发展,以增加有关脑功能知识的特异性。例如,在功能神经成像领域,当前的趋势是研究大脑区域所携带的信息类型,而不是简单地比较任务操作所引起的激活水平。在这种情况下,非侵入性经颅脑刺激 (noninvasive transcranial brain stimulation, NTBS) 在认知功能研究中的传统应用可能显得粗糙和过时。然而,在其众多参数中,通过与行为操作相结合,NTBS方案可以达到成像技术的特异性。在本文中,我们回顾了在基础科学和临床环境中实现这一目标的不同范例,并遵循基于信息的方法的一般原理。本文发表在Trends in Neurosciences杂志。

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    鱼类淋巴细胞:在进化上和哺乳动物先天样淋巴细胞(ILL)类似?

    淋巴细胞是适应性反应的责任者,就像经典描述的那样,但有证据表明,哺乳动物淋巴细胞的亚群可能表现为先天样细胞,快速地参与非自我活动,没有抗原呈递。哺乳动物体内的类淋巴细胞主要是γδt细胞和b1-b细胞,主要在粘膜组织中发挥作用。可能与人类的病理有关,其功能和组织的起源尚不完全清楚。由于鱼类和哺乳动物的免疫系统在形态和免疫生物学上的相似性,以及具有自由生活的幼虫阶段的独特性,可以精确地监测和改造它们的发育,因此提出了一种研究人类免疫的实验模型-硬骨鱼。然而,鱼类淋巴细胞与哺乳动物先天样淋巴细胞之间的同源性是比较免疫学中考虑较少的一个问题。越来越多的实验证据表明,鱼类淋巴细胞在发育、形态和功能特征上可能与哺乳动物的先天样淋巴细胞有共同之处。尽管有这些相似之处,但关于传统鱼类淋巴细胞和哺乳动物先天样淋巴细胞之间可能存在联系的信息仍然缺乏。本文旨在总结和描述鱼类淋巴细胞与哺乳动物先天样淋巴细胞之间的相似性,支持哺乳动物γδt细胞和b1-b细胞可能与鱼类淋巴细胞进化相关的假说。

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    Trends in Neurosciences重磅综述:多尺度大脑建模的探索

    解决大脑的多尺度组织,这是器官动态库的基础,仍然具有挑战性。原则上,应该可以对神经元和突触进行详细建模,然后将它们连接成大型神经元组件,以解释微观现象、大规模大脑功能和行为之间的关系。从集成测量(例如目前通过大脑活动记录获得的测量)推断神经元功能更加困难。在这篇文章中,研究者考虑了从神经元生物物理学原理产生的自下而上模型与基于网络活动的集成表示和功能原理的自上而下模型相结合的理论和策略。这些综合方法有望在虚拟大脑和神经机器人中提供有效的多尺度模拟,并为未来在医学和信息技术中的应用铺平道路。

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    【腾讯云HAI域探秘】10分钟速通腾讯HAI-高性能计算服务

    腾讯云高性能应用服务(Hyper Application lnventor,HA),是一款面向 Al、科学计算的 GPU 应用服务产品,为开发者量身打造的澎湃算力平台。无需复杂配置,便可享受即开即用的GPU云服务体验。在 HA] 中,根据应用智能匹配并推选出最适合的 GPU 算力资源,以确保您在数据科学、LLM、AI作画等高性能应用中获得最佳性价比此外,HAI的一键部署特性让您可以在短短几分钟内构建如 StableDifusion、ChatGLM 等热门模型的应用环境。而对于 Al 研究者,我们的直观图形界面大大降低了调试的复杂度,支持jupyterlab、webui 等多种连接方式,助您轻松探索与创新。现在,只需打开浏览器,HAI 便为您打开了一片无限可能的高性能应用领域。

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    可穿戴功能性近红外光谱成像在自然环境中的应用

    新型便携无线可穿戴功能性近红外光谱成像(fNIRS)设备的发展为脑功能成像开辟新路,这将带来认知研究的革命性变化。在过去的几十年里,诸多研究采用了传统的功能近红外光谱成像(fNIRS)方法,证明了这项技术在不同人群和不同应用领域的适用性,其中涉及健康大脑研究及脑损伤研究。然而,可穿戴fNIRS更具吸引力的特征在于,它能够在日常生活场景中施测,这是其他金标准的神经成像方法(如功能性磁共振成像)所不能实现的。这将极大影响我们探究人脑功能的神经基础及机制的方式。本文的目的是回顾认知神经科学领域中采用可穿戴fNIRS在自然环境下进行的研究。此外,我们提出了使用可穿戴fNIRS在无约束环境下可能面临的挑战,讨论了更准确推断大脑功能性激活状态的方法。最后,我们总体展望了认知神经科学领域的未来前景,我们认为,在可穿戴fNIRS研究中的获益将极为可观。本文发表在Japanese Psychological Research杂志。

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    CCAI | 人工智能的将来,是否就埋藏在大脑那些神经元突触间美妙的电信号中?

    前言 我们曾经说过,在人工智能的研究中有一个流派,倾向于认为对大脑的恰当模拟会是制造出人工智能的关键,但事实上,直到今天我们对人脑的工作原理的了解仍然十分粗浅,更谈不上对它的精确模拟了。对大脑的研究、以及对以此为基础的人工智能的研究,早已脱离了单个学科可以应对的范畴,而需要多个学科领域之间的相互协作。或许只有最顶尖的人才才能理解,并最终推动这些领域的进步。 不过即使是我们目前对人脑非常浅薄的研究中得到的认知,也已经构成了一幅无比美丽的画卷。这其中蕴含的奥妙让我们丝毫不会怀疑,我们的大脑是世界上最精妙(同时居

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    人类如何学习和表征网络?

    人类以一系列离散的项目接收来自周围世界的信息——从语言中的单词或音乐中的音符到书籍和互联网网站中的抽象概念。为了模拟他们的环境,从年轻时起,人们就被要求学习由这些项目(节点)形成的网络结构以及它们之间的联系(边)。但是,当人类只经历单个项目的序列时,他们如何发现网络的大规模结构?此外,人们对这些网络的内部地图和模型是什么样的?在这里,我们介绍图形学习,这是一个不断发展和跨学科的领域,研究人类如何学习和表示他们周围世界的网络。具体来说,我们回顾了在理解人们如何发现项目序列背后复杂的关系网方面的进展。我们首先描述已建立的结果,这些结果表明人类可以检测到精细尺度的网络结构,例如项目之间转换概率的变化。接下来,我们将介绍直接控制转移概率差异的最新实验,证明人类行为关键取决于网络的中尺度和宏观尺度特性。最后,我们介绍了人类图形学习的计算模型,这些模型对网络结构对人的行为和认知的影响做出了可测试的预测。我们始终强调图形学习研究中的开放性问题,这些问题需要认知科学家和网络科学家的创造性见解。

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    发现|能自主学习的人工神经突触出现 离人造“大脑”又近一步

    AI科技评论按:在人工智能的研究中有一个流派,倾向于认为对大脑的恰当模拟会是制造出人工智能的关键,但事实上,直到今天我们对人脑的工作原理的了解仍然十分粗浅,更谈不上对它的精确模拟了。对大脑的研究、以及对以此为基础的人工智能的研究,早已脱离了单个学科可以应对的范畴,而需要多个学科领域之间的相互协作。或许只有最顶尖的人才才能理解,并最终推动这些领域的进步。 不过即使是我们目前对人脑非常浅薄的研究中得到的认知,也已经构成了一幅无比美丽的画卷。这其中蕴含的奥妙让我们丝毫不会怀疑,我们的大脑是世界上最精妙(同时居

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    Neuroscout:可推广和重复利用的fMRI研究统一平台

    功能磁共振成像 (fMRI) 已经彻底改变了认知神经科学,但方法上的障碍限制了研究 结果的普遍性。Neuroscout,一个端到端分析自然功能磁共振成像数据 的平台, 旨在促进稳健和普遍化的研究推广。Neuroscout利用最先进的机器学习模型来自动注释来自使用自然刺激的数十个功能磁共振成像研究中的刺激—— 比如电影和叙事——使研究人员能够轻松地跨多个生态有效的数据集测试神经科学假设。此外,Neuroscout建立在开放工具和标准的强大生态系统上,提供易于使用的分析构建器和全自动执行引擎, 以减少可重复研究的负担。通过一系列的元分析案例研究,验证了自动特征提取方法,并证明了其有支持更稳健的功能磁共振成像研究的潜力。由于其易于使用和高度自动化,Neuroscout克服了自然分析中常见出现的建模问题,并易于在数据集内和跨数据集进行规模分析,可以自利用一般的功能磁共振成像研究。

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    领券