第一作者：刘鸿儒、曹歆源、李纪勇、郑凌翼

通讯作者：张明君教授、李新建教授、高利霞教授

通讯单位：清华大学生物医学工程学院、浙江大学医学院附属第二医院/脑院

原文链接：http://doi.org/10.1002/advs.202507110

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解析自由活动动物高级认知行为的脑机制依赖于对脑活动的大规模长期记录，然而大多数传统神经信号记录器件在重量、尺寸、电极覆盖范围和信号无线传输能力等方面存在局限，阻碍了对行为及疾病相关神经机制的深入解析。本研究报道了一种微型无线高通量脑机接口系统，支持对自由活动狨猴前额叶皮层和颞叶皮层的多脑区活动进行实时大规模高密度记录与解析。该脑机接口包含定制化设计的120通道柔性微皮层电极（μECoG）和模块化无线记录系统；借助该系统，本研究观察到狨猴行为特异性的高时空分辨率神经响应，包括饮水时的alpha波激活、发声前1.2秒的超前响应以及对人类入侵者警戒时的瞬时high-gamma波增强；利用多脑区神经特征能够成功识别出饮水行为的三个连续阶段：渴求、寻找和饮用；经过16个月（2024年3月13日至2025年8月1日）记录，发现该脑机接口系统获取的神经信号在静息状态和饮水行为时均能保持高保真和低衰减（截止目前已植入超过19个月，仍在持续稳定记录中），为自由活动狨猴自然行为神经机制的长期研究提供了可靠工具。

背景介绍

动物在自由活动状态下的动态自然行为依赖于多脑区神经元集群的协同，这种协同在非人灵长类动物上的高级认知活动中表现得尤为显著。作为小型新世界灵长类动物，狨猴在先天行为、声音交流和情绪反应等方面与人类具有惊人的相似性，长期记录非人灵长类动物的大规模脑活动为揭示其环境感知、学习和决策等复杂神经机制提供了关键途径，对推动神经科学的发展具有重要意义。然而，现有的研究手段存在明显局限：如单电极记录单次获得的神经信号较少、功能磁共振、及光学成像等多在行动受限或麻醉状态下进行，无法真实反映自然行为中的神经动态。尽管已有无线记录系统应用于狨猴研究，但其有限的电极覆盖范围难以实现多脑区神经活动的同步监测，严重阻碍了对复杂行为神经机制的深入探索。目前在技术层面面临三重挑战：1）狨猴体型小巧、头部可携带的重量轻，对记录设备的轻量化提出苛刻要求；2）大面积电极覆盖与最小化手术创伤之间存在矛盾；3）高密度采集带来的数据量对无线传输系统构成巨大压力。只有这些技术瓶颈的突破，才可以推动自由活动状态下神经机制研究的发展。

研究出发点

1）本研究开发的轻量模块化实时脑机接口平台，可实现在自由活动狨猴上进行120通道皮层μECoG信号的无线高通量采集，克服了传统设备因重量体积限制对自由活动行为的干扰。

2）基于狨猴脑部MRI影像，针对前额叶皮层（FC）和颞叶皮层（TC）形态特征，定制开发两款高密度柔性μECoG阵列（为目前狨猴上皮层ECoG信号通量和密度最高），实现了大面积覆盖与高空间分辨率的平衡。

3）长期稳定高保真神经信号记录，并在自由活动状态下解析多脑区协同机制：发现饮水时alpha波段的激活、发声前1.2秒预期响应、警戒状态瞬时high-gamma等特异性神经活动特征。

图文解析

为揭示狨猴自然行为背后的神经机制，本研究首先通过微型无线脑机接口系统实时采集自由活动状态下狨猴前额叶皮层和颞叶皮层的高密度神经信号，同时记录动物的运动和叫声信号；将多脑区神经信号与行为特征同步，提取行为相关的特异性特征；基于时空神经响应特征构建解码模型，解码动物行为的不同阶段。

图1. 基于定制化无线脑机接口的狨猴行为的神经机制研究

本研究开发的微型多脑区无线脑机接口平台采用三层模块化架构，可实现120通道信号实时无线记录，并适配多种定制化电极阵列。整个头戴设备重量仅26.2g（封装于PEEK保护壳，尺寸25×27×15毫米）。基于狨猴个性化MRI影像定制开发前额叶皮层（叶片状）和颞叶皮层（矩形）柔性μECoG阵列。实验证实，该设备在记录中未影响动物正常行为（悬挂、跑动、跳跃等）。

图2. 微型多脑区实时无线脑机接口平台概述

实验结果表明，狨猴在自由获取水滴奖励的过程中，前运动区（ProM）部分位点呈现出稳定ERP响应。多频谱功率分析显示，FC与TC存在明显功能分离：前运动区（A4ab，ProM）在gamma频段显著激活，可能编码口部运动；低频振荡（1-30Hz）广泛分布于FC和TC，高频活动表现出脑区特异性。

图3. 饮水时前额叶和颞叶皮层的高分辨率神经活动

为揭示语音产生时相关神经信号，本研究采用叫声回放诱发狨猴发出phee叫声。发声过程中，FC的前额叶区（A9）和运动区（A6，ProM）表现出显著激活，其中，前额叶区alpha波段在发声前1.2秒升高，发声起始时下降，0.5秒后再次增强，Gamma活动在TC表现为发声后抑制。表明发声规划与执行在不同脑区的双阶段调控，可能与语音产生过程中前馈-反馈机制相关。

图4. 狨猴发声前和发声期间前额叶alpha波增强

为分析威胁警戒相关神经响应，实验员通过手套刺激诱发狨猴产生警戒反应。结果显示FC和TC在逃避后出现瞬时high-gamma活动增强（约0.5秒），其中FC响应幅度显著高于TC。这种多脑区瞬时high-gamma同步可能反映威胁检测中大规模神经网络的快速协同机制。

图5. 对人类入侵者警戒期间的瞬时high-gamma增强

总结与展望

本研究开发了一套微型无线脑机接口系统，通过定制化柔性μECoG电极阵列实现了自由活动狨猴前额叶皮层和颞叶皮层的大规模神经信号采集，在长期记录中保持高信噪比和低信号衰减。研究首次在自由活动状态下解析了饮水、发声交流和警戒反应等自然行为的额叶-颞叶神经调控机制。与已有技术相比，该脑机接口系统在电极覆盖范围（120通道）、空间分辨率（1mm电极间距）和长期稳定性等方面都具有显著优势，其模块化设计和个体化电极定制为非人灵长类行为的脑机制研究提供了平台支撑。下一步该系统将整合多模态调控模块实现闭环调控，并扩展多脑区高通量Spike信号的同步记录功能，结合狨猴与人类在行为及脑区特征的相似性，为帕金森、自闭症等脑疾病的机制研究和治疗提供了新的技术平台，有望推动神经科学研究和临床治疗的进步。

课题组介绍

张明君教授课题组主页：http://www.bmi-robotics.com

李新建教授课题组主页：https://person.zju.edu.cn/2319002

高利霞教授课题组主页：https://person.zju.edu.cn/0016097

原文信息

H. Liu, X. Cao, J. Li, et al. “ Deciphering Neural Mechanisms Underlying Marmoset Dynamic Natural Behaviors Using a Miniaturized Wireless Large-Scale Coverage Neural Recorder.” Adv. Sci. (2025): e07110.