1克！中国造微型“脑探测器”如何“读懂大脑”？

新华社北京10月20日电 在清华大学实验室内搭建的“微型自然栖息地”里，几只小鼠正钻进洞穴，爬上台阶、小桥，自由玩耍。它们头上都佩戴着一台仅1克重的微型显微镜。旁边电脑上，代表神经元的荧光光点明灭闪烁，研究人员正同步记录小鼠大脑皮层中数千个神经元的活动。

从探索陌生环境到与同伴互动，大脑如何协调成千上万个神经元的活动，是神经科学长期追索的问题。但一直以来，能在较大范围内分辨单个神经元的显微镜，往往需要固定动物头部或连接线缆；能让动物自由活动的设备，又难以兼顾观测范围和成像精度。

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图为小鼠在自然化栖息地中行为与神经活动的同步记录。新华社发

为此，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，研制出重量仅1克的无线介观显微镜Airscope，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。该成果19日晚在线发表于《自然》。

在多只动物自由运动和社交时，能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。这就要求显微镜既能“看得广、看得清”，又能“戴得轻、不拴线”。

为什么要看得广？以人拿起杯子为例，从看到杯子、伸手触碰，到获得触觉反馈，一个简单动作就需要不同脑区共同参与。只有清楚看到多个脑区的活动，才能更好地理解神经元如何相互联系、协同工作。

清华大学自动化系副教授吴嘉敏说，现有的头戴式微型显微镜，虽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。而对于能分辨单个神经元的显微镜来说，虽能看得清大范围皮层，但仍需将小鼠头部固定在仪器下或用线缆将其“拴”住，这会让动物难以自由活动，甚至产生应激反应。

图为佩戴Airscope的小鼠在自然化栖息地中自由探索。新华社记者 魏梦佳 摄

“几乎所有小型化显微镜都要使用线缆进行供电和数据传输，这使动物活动范围有限。如果观测两只动物，线缆还会缠绕，难以观察其自然交互行为。”清华大学生命科学学院助理教授张元龙说，“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，但额外的重量和功耗会让动物难以自由活动，这不利于自然状态下对动物神经和行为的研究。”

研究人员称，团队研制的Airscope整机比最新的头戴式介观显微镜轻30%以上；通过磁吸式快换电池，研究人员可在2秒内完成电池更换并继续记录。在光学系统上，仅用4片非球面镜片，就在6毫米的宽视场内实现对多个脑区的单细胞分辨率（即4至6微米）的观测。

图为5只佩戴Airscope的小鼠皮层神经活动同时成像。新华社发

“把6毫米视场和单细胞分辨率装进重1克的设备，光学、照明、电子和无线传输必须一起设计。”张元龙说，他们用AI完成镜头设计，在传感器端把数据量压缩，才让整套系统轻到不影响小鼠的自然行为，同时使百万像素级图像得以无线传输。

借助Airscope，团队完成了许多过去受线缆或设备重量所限难以实现的实验，观测小鼠在自然状态下进行多种复杂探索时的大脑神经元变化。例如，在5平方米自然化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。目前，团队正推动相关技术走向产业化。

戴琼海表示，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。

图为团队部分成员在清华大学实验室合影。新华社发

张元龙说，Airscope有望用于观测和追踪阿尔茨海默病、脑损伤、心血管疾病、抑郁症等疾病在模型动物中的发生发展过程，研究单个细胞在病程中扮演什么角色，为疾病机制研究和防治提供线索。

一台中国造的微型“脑探测器”，让科学家得以在更接近自然条件下，观察大范围皮层的大规模神经活动。但“看见”更多神经元，并不意味着已“读懂”大脑。不同脑区神经元如何相互联系，协同参与探索、社交等复杂行为？还有更多问题等待人们探索和解答。

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