自由的猕猴才会展示真实的脑活动！当猴子能自由活动，科学家终于看到了‘活’的大脑！最新Science论文，系统研究了头部固定场景、自由活动场景下动物的神经行为学变化。在探索猴子神经行为学分析的先进工具时，不得不提一湾生命的创新产品——BehaviorAtlas 3D-AI非人灵长类行为分析系统。本系统可以允许猴子自由活动，并可以在三维层面分析猴子的精细行为。欢迎感兴趣的老师咨询~
在实验室的限制性环境里，猴子们的一举一动都被科学家们精心记录，它们的行为如同被放在显微镜下一般，被细致入微地研究。在这些实验中，猴子的活动通常受到限制：其活动范围被控制在有限的区域内，同时采用头部固定装置确保其头部位置保持不变。科研人员多次训练猴子以重复、刻板的方式执行任务，同时检测猴子大脑的神经元活动。一般认为，上述头部固定场景下的科学发现可以推而广之，可以适用解释自由活动场景下的神经行为学机制。但事实并非如此，自由活动场景与头部固定场景下的行为表现及神经机制可能存在很大不同。当猴子在自由行走、攀爬、跳跃、玩耍时，它们的大脑究竟在如何指挥这些自然行为？自由活动猴子的自然行为神经行为学，亟待深入探索，以揭示大脑与行为间更深入的关联。
2025年1月9日，意大利帕尔马大学Luca Bonini教授研究团队在Science发表了题为“Neuroethology of natural actions in freely moving monkeys”的研究论文。该研究开发了一种神经行为学平台，能够在头部固定场景和自由活动场景下记录灵长类动物的神经元活动，为自然行为的神经机制研究提供了新的视角。
01 神经行为学研究平台的构建：从神经生理学到神经行为学的逐步过渡
本研究采用双场景范式（图1A）：（1）头部固定的经典约束场景（Restrained Context, RC）—— 猴子转移至实验椅（头部固定）；（2）头部非固定的自由活动场景（Freely Moving Context, FMC），富含物体的自由探索场景，允许猴子自由活动，此时猴子会有各种行为动作，例如攀爬、饮水、抓取地板上的食物、瘙痒、打哈欠等。
实验采用128通道电极阵列同步采集神经元活动，结合八相机（每秒50帧）的高速摄像系统与专业行为编码软件，对猴子肢体 / 口面部动作进行分析（图1B）。研究发现，部分动作在2个场景下都存在，部分动作仅在自由活动场景中出现（图1C）。相较于传统头固定的RC场景，自由移动的FMC场景下神经元平均放电率（图1E）小幅上升，峰值放电率（图1F）和放电变异性（图1G）显著增加，提示相较于传统头部固定的场景，自由活动场景下猴子单个神经元表现出更高的活跃度与更强的放电变异性。
图1. 图源：Science 2025
02 前运动区神经元活动对自然行为的编码与解码机制
自然行为具有高度时空异质性（如抓取动作在物体距离、速度、轨迹等方面的差异），这可能导致自由活动场景（FMC）下神经元放电变异性增强。本研究通过自然动作期间的单神经元活动发现，绝大部分神经元（>80%）可被至少一种自然行为显著影响，少部分神经元（27%）呈现单动作特异性稀疏编码，多数神经元表现出多动作密集编码及混合选择性（图2A,B，从上到下猴子的动作依次为攀爬、行走、抓取进食、咬、饮水、打哈欠）。
基于动作对神经响应相似性分析（图2C），发现相同效应器（如口部动作）或协同（如觅食行为中的前肢-口部联动）的动作具有更高神经表征相似度，而涉及全身协调的复杂动作（如攀爬）则呈现显著分离。进一步分析表明，神经元活动在行为发生前1秒即出现预测性信号，其峰值与体感反馈同步（图2D-G），提示前运动皮层通过前瞻性放电参与自发行为的运动前调控。
图2. 图源：Science 2025
03 头部固定VS自由活动：单神经元与群体动态特性存在显著差异
一般认为，头部固定下的结果可以推广到自由活动环境中。通过研究两种场景下均会出现的动作（如饮水、咬合及用对侧或同侧手抓取食物）来验证上述推论。研究发现，仅少数神经元在动作执行过程中表现出跨场景不变的放电模式，比例在15%（饮水）至21%（用对侧手抓取）之间，不同动作间无显著差异（图3A,B）。大多数神经元在两种场景下的活动模式，如放电时间进程、强度上，均存在显著差异，表明场景特异性特征影响神经元反应（图3C）。
为量化群体神经轨迹的相似性，研究人员采用相似性矩阵呈现比较结果（图3D）。跨场景不变的神经元在不同场景下对相同动作编码相似，且能区分用口腔、对侧手和同侧手完成的动作。相比之下，场景依赖的神经元在相同场景下对涉及相同效应器的不同动作编码更相似，对两种场景下的相同动作编码不同（图3E）。上述研究表明，运动前皮层神经元对动作的表征依赖于多种复杂协同，而这些在头部固定场景下中很难被捕捉到，上述发现对头部固定实验结果直接应用于自由活动环境提出了合理质疑。
图3. 图源：Science 2025
04 自然行为的跨场景神经解码
本研究通过支持向量机（SVM）分类器分析单/多神经元集群动态特征，发现运动相关神经活动在头部固定和自由活动场景中均能有效解码四类动作，且存在跨场景共享的神经表征（图4A）。基于自由活动场景数据训练的模型对头部固定场景下测试集的解码性能，显著优于反向训练模式（图4B），提示在自由移动期间记录的神经活动更为丰富，而且比在头部固定场景中记录的更具推广性，其表征的泛化性更凸显了自然行为范式在解析行为动作与神经机制中的独特价值。
图4. 图源：Science 2025
05 结论
本研究开发了一种神经行为平台，可在头部固定场景和自由活动场景中记录神经元活动。神经元在两种场景中对相同的手部和口部动作编码模式不同，表明动作表征具有场景依赖性。自由活动场景中的神经活动比头部固定场景更丰富且更具推广性，表明传统实验室头部固定 范式 可能低估神经编码的复杂性，基于自由活动场景的神经行为学研究更适于揭示动物行为的奥秘。
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参考文献：
Lanzarini F, Maranesi M, Rondoni EH, et al. Neuroethology of natural actions in freely moving monkeys. Science. 2025;387(6730):214-220. doi:10.1126/science.adq6510