EyeLoop:一种用于高速闭环眼动追踪的开源系统眼动仪广泛用于研究神经系统动力学和神经病理学。尽管具有广泛的实用性，但眼动追踪仍然昂贵、硬件密集且专有，限制了其在高资源设施中的使用。它也不容易允许实时分析和闭环设计将眼球运动与神经活动联系起来。为了解决这些问题，我们开发了一种开源的眼动仪EyeLoop，它使用高效的矢量化瞳孔检测方法，提供不间断的跟踪和快速的在线分析，与DeepLabCut等流行的眼动追踪模块不相上下。这种基于Python的软件使用代码模块轻松集成自定义功能，跟踪多种眼睛，包括啮齿动物、人类和非人类灵长类动物的眼睛，并在消费级硬件上以每秒1000帧以上的速度运行。在本文中，我们展示了EyeLoop在开环实验和生物医学疾病识别中的实用性，这是眼睛跟踪的两个常见应用。EyeLoop以极低的成本和最少的设置步骤，使高速眼动追踪广泛可用。

介绍

在每一刻，大脑都会利用其感官产生越来越复杂的特征来描述其外部世界（Ehinger et al.，2015；Zeki，2015）。我们的日常行为，如在交通中导航，在很大程度上是由我们的感官输入引导的，即我们所看到、听到、感觉到的等等（Lee，1980）。尤其是眼睛，参与感官促进；例如，昆虫的视运动反应检测视觉流的扰动以避免碰撞（Theobald等人，2010），并引发小鼠稳定的头部运动（Kretschmer等人，2017）。类似地，最近研究表明，自由漫游小鼠的眼-头组合运动可以使视轴与地平面重新对齐，这表明视觉本身受到感觉调节的影响（Meyer等人，2020）。因此，追踪眼睛的状态通常是神经系统研究不可或缺的一部分。

眼动追踪广泛应用于神经科学，从研究大脑动力学到研究神经病理学和疾病模型（Yonehara等人，2016；王等人，2018；Meyer等人，2020）。尽管有这种广泛的实用性，但商业眼动追踪系统，如ISCAN（de Jeu和de Zeeuw，2012；Yaramothu等人，2018），仍然昂贵、硬件密集和专有，限制了对高资源设施的使用。同样，基于深度学习的方法，如DeepLabCut（Nath et al.，2019），仍然需要专门的处理单元，并且在很大程度上仅限于离线跟踪。更一般地说，当前的系统往往在程序上是僵化的，例如，通过被编译成可执行的、不可修改的专有软件，或者通过高级软件模块以更复杂的语法和系统架构进行编码。为了解决这些问题，我们开发了一种开源的眼动仪EyeLoop，专门用于高速研究视觉动力学。EyeLoop使低资源设施能够访问眼动追踪，并通过基于高级Python 3的模块化、易处理的算法鼓励基于社区的软件代码开发。

材料和方法

道德声明

所有小鼠实验均根据标准伦理指南进行，并获得丹麦国家动物实验委员会（2020-15-0201-00452）的批准。本研究未对非人类灵长类动物进行任何实验。人眼的视频片段是由一名人类志愿者提供的。狨眼睛的视频片段由Jude Mitchell（罗切斯特大学）提供。

实验动物

野生型对照小鼠（C57BL/6J）从Janvier实验室获得。Frmd7™ 小鼠是纯合雌性或半合雄性Frmd7tm1b（KOMP）Wtsi小鼠，通过与雌性Cre-deleter Edil3Tg（Sox2–Cre）1Amc/J小鼠（Jackson实验室库存4783）杂交，去除侧翼为loxP序列的外显子4和neo盒，如基因组DNA的PCR所证实的，并保持在C57BL/6J背景中。实验在3只雄性和雌性野生型对照小鼠以及3只雌性和雄性Frmd7上进行™ 老鼠。所有小鼠年龄在2-4个月大之间。将小鼠分组饲养并维持在12小时/12小时的光/暗循环中，随意获取食物和水。头板植入术

如前所述进行手术和动物实验准备（Rasmussen等人，2020）。用溶于盐水的芬太尼（0.05 mg/kg体重；Hameln）、咪达唑仑（5.0 mg/kg体重；Hameln）和美托咪定（0.5 mg/kg体重；Domitor，Orion）混合物腹膜内注射麻醉小鼠。在整个手术过程中，通过捏缩反射监测麻醉深度。使用直肠探针监测核心体温，并通过反馈控制的加热垫（ATC2000，World Precision Instruments）将温度保持在37-38°C。在手术过程中，使用眼膏（Oculotect Aungel）保护眼睛不脱水。去除覆盖纵向裂隙的头皮，并用氰基丙烯酸酯基胶水（Super glue Precision，Loctite）和牙科水泥（Jet Denture Repair Powder）将定制的头部固定头板安装在颅骨上，以便在视频眼图跟踪过程中进行后续的头部固定。在通过腹膜内注射溶解在盐水中的氟马西尼（0.5 mg/kg体重；Hameln）和阿替帕美唑（2.5 mg/kg体重；Antidan，Orion Pharma）混合物逆转麻醉后，将小鼠返回其家笼，并在加热垫上恢复1小时。

视觉刺激

视觉刺激是通过基于Python的定制软件（作为EyeLoop Extractor模块）生成和呈现的。视觉刺激出现在距离眼睛15厘米、与小鼠中线成30°角的“V”形双监视器上（监视器尺寸47.65×26.87厘米，宽x高）。因此，每个显示器的方位角为115.61°，仰角为80.95°。这一设置改编自之前的一项研究（Rasmussen et al.，2021），该研究使我们能够覆盖小鼠的大部分视野，以唤起一致的视觉反应。为了在Frmd7敲除和野生型小鼠中唤起光动力学反射，我们提出了一种模拟双眼旋转的方波漂移光栅。漂移光栅在八次试验中一次呈现30 s，两次呈现之间有4 s的灰色屏幕，并以0.05周期/°的空间频率和5°/s的速度沿水平轴（0°和180°；单眼和双目；平行和反平行）向两个不同方向漂移。

啮齿动物视频眼描记术

将鼠标放置在固定头部的平台上，www.win-sensor.site   以防止头部运动受到干扰。使用颅骨植入的金属板进行头部固定。为了最大限度地减少对视野的阻碍，在摄像机上方和啮齿动物侧面放置了一个45°的热镜。在我们的实验设置中，由于空间限制，相机被放置在视野下方。两台电脑显示器的位置如视觉刺激小节所述。在右侧显示器后面，近红外光源的角度为45°。CCD相机（Allied Vision Guppy Pro F-031 1/4〃CCD单色相机）通过专用帧抓取器PCIe扩展卡（ADLINK FIW62）连接到PC。对于基于vimba的相机，使用EyeLoop导入器vimba.py，将相机帧实时馈送到EyeLoop（固定在~120 Hz）。最后，标准EyeLoop数据采集模块连续记录生成的跟踪数据。