《Cell Reports Methods》：CalliCog is an open-source cognitive neuroscience toolkit for freely behaving nonhuman primates
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本文介紹了開源認知神經科學工具包 CalliCog，它專為自由活動的小型非人靈長類（NHPs）設計，能在籠內進行自動化認知實驗，還可整合神經記錄。該工具包為研究靈長類認知提供了新途徑，有助于縮小臨床前模型與人類認知研究的差距。
研究背景
非人靈長類（NHPs）在研究人類認知方面具有重要價值，其神經生物學、生理和遺傳與人類相似。然而，傳統的 NHPs 認知研究受限較多。一方面，研究多集中在少數配備先進設施的專業實驗室，需要專業知識和大量資源，且樣本量小、成本高。另一方面，傳統認知行為測試方法存在缺陷。以往研究常將動物從家籠轉移到測試環境，這種方式會給動物帶來壓力，影響數據有效性，還需要長時間的習慣化訓練。而且傳統方法多針對大型 NHPs，如獼猴，小型 NHPs 如普通狨猴（Callithrix jacchus）對約束更敏感，分離其社會住房進行測試會對其造成更大傷害。
近年來，家籠測試在 NHPs 研究中逐漸受到關注。這種測試方式能減少外部壓力源，降低習慣化時間，還可實現自動化，提高實驗通量。但目前家籠測試系統存在諸多問題，如不同系統接口和測試電池不同，難以比較結果；部分設備專利性強、價格昂貴，協議不靈活，缺乏可及性。為解決這些問題，研究團隊開發了開源平臺 CalliCog（Callithrix jacchus認知平臺）。
CalliCog 系統介紹
CalliCog 采用模塊化設計，主要由兩部分組成：一是連接到家籠進行實驗的操作室，二是用于監控和控制實驗的計算機（執行 PC）。操作室由內部的微型計算機（代理 PC）控制，與執行 PC 通過有線網絡實時通信。執行 PC 可向代理 PC 發送任務指令，并根據動物行為表現反饋調整指令，實現對多個操作室的監控和控制，支持高通量測試。
操作室設計注重成本效益和易用性，主要使用低成本、易獲取的材料。其內部有多個防水隔間，包括測試室、用于放置代理 PC 和電子元件的上隔間、放置觸摸屏的后隔間以及放置遙測接收器的下隔間。測試室內配備攝像頭用于視頻監控，還有觸摸屏、獎勵噴嘴和可調節高度的訓練桿等裝置。電子元件通過銅帶屏蔽，減少電磁干擾。
CalliCog 軟件基于自定義腳本和第三方開源 Python 包開發，核心部分使用 PsychoPy 工具包。軟件功能分布在代理 PC 和執行 PC 上，用戶可通過執行 PC 的網絡應用設計實驗協議。協議設計靈活，無需編程知識，用戶可定義實驗任務和動物進展標準，系統會根據動物行為表現自動推進實驗。
實驗驗證
研究團隊使用 CalliCog 對 8 只成年普通狨猴進行實驗，這些狨猴來自兩個不同的飼養設施，且均未參與過行為實驗。
在觸摸屏訓練實驗中，狨猴需完成 7 個階段的訓練任務，通過逐漸減少刺激大小、改變刺激位置等方式，讓狨猴學會與視覺刺激互動以獲取液體獎勵。結果顯示，所有狨猴平均在 44.1 次會話（標準差為 14.7）和 14 天（標準差為 8.0）內完成訓練，不同設施的狨猴訓練時間無顯著差異。
在新穎辨別和反轉學習實驗中，狨猴先進行辨別訓練，學會區分正確和錯誤刺激，然后進行新穎辨別測試和反轉學習階段。實驗發現，刺激對 9 可能是影響動物表現的異常值，被排除在后續分析之外。在反轉學習過程中，研究團隊分析了動物的學習曲線、錯誤次數以及采用的策略等，發現動物在學習階段使用正反饋和負反饋的能力相似。
在延遲匹配樣本任務（DMTS）實驗中，部分完成反轉學習的狨猴參與訓練和測試。實驗通過設置不同的延遲時間，評估狨猴的工作記憶。結果顯示，測試的狨猴平均零延遲表現為 83.69%（標準差 = 12.05%），平均性能半衰期為 5.73 秒（標準差 = 3.25 秒），不同狨猴的性能半衰期存在差異。
研究團隊還將現成的體內神經記錄系統與 CalliCog 集成，對部分完成 DMTS 測試的狨猴進行手術植入無線電遙測設備，記錄其在執行任務時的 ECoG 數據。通過同步行為時間戳和神經數據，分析發現 ECoG 活動與任務事件相關，不同頻率帶的功率在任務的不同階段存在顯著變化，但與以往使用局部場電位（LFP）研究工作記憶的結果存在差異。
研究優勢與局限
與其他認知實驗系統相比，CalliCog 具有顯著優勢。它專為小型 NHPs 設計，考慮了小型 NHPs 的特點，如采用電容式觸摸屏、設置訓練桿、控制刺激顏色等。其自動化程度高，能根據動物單試次反應調整實驗，且具有較高的可及性，提供了完整的藍圖，方便用戶復制搭建系統。
然而，該研究也存在一定局限性。實驗動物數量相對較少，可能無法充分考慮個體差異因素。無線神經記錄方法易受電磁干擾，影響信號接收。網絡時間協議（NTP）的精度可能因用戶配置而異，不適用于某些需要高精度時間同步的技術。
研究意義與展望
CalliCog 為小型 NHPs 的認知行為實驗提供了新方法，能在自然環境下對動物進行訓練和測試，記錄神經活動。通過使用 CalliCog，行為學上未經訓練的普通狨猴能熟練完成認知任務，且實驗結果可靠。這一工具包的開源特性，有望推動更多關于靈長類認知的研究，促進對靈長類特定神經回路和行為的理解，為人類健康和疾病相關研究提供有價值的參考，縮小臨床前模型與人類認知研究之間的差距，助力揭示人類認知的奧秘。未來，隨著技術的不斷改進和研究的深入，CalliCog 有望在認知神經科學領域發揮更大的作用，為相關研究提供更有力的支持。
