中国科学家研制出世界最轻无线介观显微镜

如何在自然、群体的行为中清楚“看到”大脑的大规模神经元对复杂行为的调控，是神经科学的基本问题，也是理解智能、发展脑机接口的重要基础。

中国科学家研制出目前已知世界最轻无线介观显微镜，重量仅1克，可在6毫米视场内以单细胞分辨率记录小鼠大脑皮层的神经活动，单只小鼠可同时记录8500多个神经元，是现有同类型设备的25倍。这一重要成果19日晚在线发表于国际期刊《自然》。

在多只动物自由运动和社交时，以单细胞分辨率同时记录大范围脑区中的大量神经元，有望揭示大脑对于复杂行为的调控机理。然而，现有能分辨单个神经元的显微镜，虽能看得清大范围皮层，仍需将小鼠头部固定在仪器下或用线缆将其“拴”住，一旦如此，会让动物难以自由活动，阻碍了自然状态下对动物神经和行为的研究。

同时，现有的头戴式微型显微镜虽然实现了动物的自由活动，但视场通常不足1毫米，仅能看到很小一块脑区。想要覆盖更大范围皮层、有更高清分辨率，就需要更重且更大功耗的显微镜。

因此，如何能让显微镜同时能“看得广、看得清、戴得轻、不拴线”成为神经科学研究的一大挑战。

中国工程院院士、清华大学教授戴琼海团队与解放军总医院戴朴团队合作，通过集成化设计和系统性优化，研制出超轻无线介观显微镜Airscope，仅用4片非球面镜片，就在6毫米视场内实现单细胞分辨率（即4至6微米）的观测。

“无线、轻巧、宽视场、高通量是Airscope的显著特点。”清华大学自动化系副教授吴嘉敏说，常规头戴式微型显微镜重量通常超过3克，会影响小鼠自由活动。而Airscope不仅摆脱了线缆束缚，尺寸更轻巧，还通过200万像素图像传感器实现端侧压缩，使百万像素级图像得以无线传输。

借助这种动物“可穿戴”设备，团队解锁了小鼠在自然状态下多种复杂的自由探索，完成了许多过去受线缆或设备重量所限难以实现的实验。例如，在5平方米自然栖息地中同时记录多只小鼠探索时的大脑皮层活动；在32个末端的大型迷宫中追踪小鼠长时间自主探索等。研究发现，大脑皮层活动会随小鼠所处的地貌区域而系统性变化。

“Airscope为神经科学研究提供了更高的行为自由度，使大规模神经观测能跟随动物进入更丰富的自然行为，有助于我们更好地开展对脑认知和脑疾病的研究。”清华大学生命学院助理教授张元龙说。

戴琼海认为，这一新型显微镜为理解智能的神经基础提供了新工具，将推动光学脑机接口向更精准神经探测发展，未来其应用还有望从神经科学拓展到免疫、肿瘤等领域，实现对疾病发生过程的完整追踪。