迄今为止最小、最轻的介观显微镜在清华大学诞生了。10月19日，北京日报客户端记者从中国工程院院士、清华自动化系教授戴琼海团队获悉，利用自主研发的无线介观“超级显微镜”，科研团队清晰地记录到了小鼠大脑皮层的8500多个神经元活动，分辨率达到了单细胞级别。
这台显微镜重量仅1克、只有指甲盖大小，可以像帽子一样固定在小鼠脑袋上。利用它，科研团队首次观察到了小鼠自然行为背后的大脑活动。该成果于10月19日在《自然》期刊上发表。
大脑如何在复杂自然环境中调控行为，是神经科学最基本的问题之一，也是发展脑机接口的重要基础。清华生命科学学院助理教授张元龙介绍，长期以来，神经科学领域研究面临着“无法兼得”的困境：能够分辨单个神经元的显微镜，往往需要把动物头部固定在仪器下，或用线缆把动物“拴”住，导致它们无法自由活动；能让动物自如活动的头戴式微型显微镜，视场却通常不足1毫米，只能看到很小一块脑区。
面向看得广、看得清、戴得轻、不拴线的目标，科研团队对显微镜进行了系统性协同设计。“我们用4片非球面镜片，在6毫米的大视场内实现了单细胞分辨率的介观成像，打造了迄今为止最小、最轻的介观显微镜。”张元龙说。此外，在数据传输方面，以往的无线显微镜均未突破百万像素。而清华团队采用了200万像素的图像传感器，在传感端就压缩数据，使百万像素级图像得以无线传输。
“利用自主开发的神经元提取算法，我们在单只小鼠单侧大脑半球的14个皮层脑区中同时记录到8500多个神经元，这个数量是此前无线显微镜成像水平的25倍。”张元龙解读，这意味着，这台“超级显微镜”虽然又小又轻，但记录到的神经元信号质量却丝毫不差。
实验显示，佩戴着“超级显微镜”，小鼠能照常爬绳、钻管，从运动距离、速度和路径曲折度等评估运动能力的数据上来看，与未佩戴显微镜的小鼠并无显著差异。
借助“超级显微镜”，团队开展了多项前沿实验。在实验室里，北京日报客户端记者看到了科研人员为小鼠搭建的“花园世界”，里面设置了隐蔽所、坡道、树洞、木屋等。“小鼠能在这里‘解放天性’，运动速度达到了标准实验笼中的两倍，能自然表现出攀爬、上下台阶、进洞、穿越不同地貌区域等16类不同的行为。”清华自动化系副教授吴嘉敏表示，过去受设备限制，这类自然栖息地实验很难同步记录大范围皮层神经活动。现在科研人员仅凭皮层神经元的活动信号，就能用深度学习模型准确判断小鼠所在的具体区域。值得一提的是，即使去掉视觉皮层的神经元，也能清晰判断位置——这说明大脑对环境位置的感知，远不只是眼睛看到画面那么简单。
最有意思的是“狭路相逢”测试。“这是一种评估小鼠社会等级的经典测试，我们让两只小鼠在狭窄管道中面对面相遇，直到一方退出管道。”吴嘉敏说，在这个过程中，科研人员能同时记录两只小鼠的数千个皮层神经元。
【知识加油站】
介观尺度是介于宏观和微观单细胞观测之间的关键地带，既能覆盖完整器官级的观测范围，又能看清每一个细胞的动态活动。戴琼海表示，“超级显微镜”的问世，标志着介观生物学研究正式进入“在自然行为中观测大脑”的全新阶段。未来，它不仅有望推动脑科学、脑机接口研究取得突破，还可拓展应用至免疫、肿瘤等领域，加速相关技术的产业化落地。
来源：北京日报客户端
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