24小时同步多模态记录揭示自由活动小鼠内侧前额叶皮层(mPFC)在自然行为中的动态编码机制

本研究针对内侧前额叶皮层(mPFC)在自然行为中跨时间尺度的动态协调机制这一科学难题，通过集成微型双光子钙成像、EEG-EMG和行为视频记录技术，首次实现了自由活动小鼠超过24小时的多模态同步监测。研究人员建立了包含12种自然行为状态的开放数据集，揭示了mPFC神经集群在昼夜节律周期中的动态重组规律，为构建自然情境下的皮层动态计算模型提供了重要基准。

　　

在探索大脑奥秘的征程中，内侧前额叶皮层(mPFC)一直被视为认知功能的"指挥中心"，它如同交响乐团的指挥，协调着从决策制定到情绪调节的复杂行为。然而传统神经科学研究面临三大困境：实验室任务场景的生态效度有限，短时观测窗口难以捕捉跨昼夜节律的神经动态，多模态数据割裂导致行为-神经关联分析困难。这些限制使得科学家们难以解码mPFC在真实世界中的运作密码。

北京大学前沿交叉学科研究院联合PKU-南京转化医学研究院的研究团队在《Scientific Data》发表突破性研究。通过创新性地整合微型双光子显微镜(mTPM)、无线EEG-EMG系统和红外行为追踪技术，首次实现了自由活动小鼠mPFC区超过24小时的细胞分辨率神经活动、脑电节律与自然行为的同步记录。这项研究建立了首个涵盖完整昼夜周期的多模态神经行为数据库，为揭示大脑在自然状态下的工作原理提供了全新视角。

关键技术包括：(1)采用2.45g微型双光子显微镜(mTPM)实现518.73μm×449.57μm视野下单神经元活动追踪；(2)定制化居家笼系统集成跑轮、食水端口等设施，记录12类自然行为状态；(3)通过GRIN透镜植入和病毒转染技术稳定获取mPFC区GCaMP6f钙信号；(4)开发多模态数据时空对齐算法，实现1.92Hz钙成像、1000Hz EEG-EMG与30fps行为视频的毫秒级同步。

【背景与摘要】
研究团队系统阐述了mPFC在跨时间尺度神经调控中的核心地位，指出现有方法在长时间自然行为观测上的局限性。通过建立包含6组完整数据集的多模态资源，填补了神经科学研究中长时程连续性、自发行为多样性和多模态整合三大空白。

【方法】
实验采用2-3月龄C57BL/6J雄性小鼠，通过rAAV2/9 hSyn-GCaMP6f病毒转染标记mPFC神经元。创新性的10°侧向GRIN透镜植入技术(A/P:+1.9mm,M/L:-0.7mm,D/V:-1.8mm)结合双光子成像系统，在1.92Hz采样率下稳定获取△F/F信号。同步记录的EEG-EMG数据通过0.5-35Hz(EEG)和10-100Hz(EMG)带通滤波，与行为视频共同构成三维度观测体系。

【数据记录】
研究提供的6组数据集包含：117-152个mPFC神经元钙活动、1000Hz脑电信号及30fps行为视频，单次连续记录最长25.18小时。数据验证显示钙信号信噪比(SNR)在24小时内保持稳定(衰减<30%)，EEG功率谱准确呈现δ(0.5-4Hz)和θ(4-10Hz)节律特征。

【技术验证】
通过组织学验证确认GCaMP6f在mPFC前边缘皮层(PrL)的特异性表达。钙成像稳定性分析表明，75-100%时间窗的△F/F仍保持初始值的80%以上(p>0.05)。代表性神经元活动轨迹显示，在"运动"行为状态下钙瞬变幅度显著高于睡眠状态(p<0.0001)，证实数据的行为相关性。

这项研究建立了自然神经科学研究的新范式。通过突破传统方法的时空限制，首次实现了从毫秒级神经放电到昼夜节律尺度的大脑动态全景观测。数据集不仅为解析mPFC在认知-情感-稳态调控中的整合机制提供资源宝库，更开创了将计算神经科学模型拓展到真实世界场景的新途径。特别值得注意的是，研究揭示的mPFC神经集群在REM睡眠期的高活性特征，为睡眠依赖的记忆巩固理论提供了新的实验证据。该成果将推动从"实验室认知"到"自然认知"的范式转变，为理解大脑在真实环境中的运作规律奠定基础。