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，也是理解智能、发展脑机接口的重要基础，却长期受制于自由活动动物大脑所能实现的神经观测通量和显微镜重量的双重桎梏。10月19日，清华大学戴琼海团队与解放军总医院戴朴团队合作，在《自然》发表论文，报道了首个突破百万像素的无线介观显微镜Airscope。该仅重1克的设备使介观生物学研究进入在自然行为中观察大脑的新范式。借助Airscope，研究团队开展了多项以往受线缆或设备重量限制而难以实现的实验。

Airscope无需线缆，小鼠可以在自然化环境中无拘无束地活动

神经科学研究长期面临一个两难：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；而动物一旦被固定或拖着线缆，行为就不再自然。已有头戴式微型显微镜的视场通常不足1毫米，只能看到很小一块脑区；要覆盖更大范围的皮层就需要更多像素和更高的数据率，这又意味着更重的设备、更大的功耗和难以摆脱的线缆，会影响小鼠的自由活动。

团队研发的Airscope仅重1克，比最新的头戴式介观显微镜轻30%以上。它能在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，是现有无线头戴式神经记录设备的25倍。Airscope把过去局限于台式系统的大范围皮层单细胞成像带到了自由活动、不受线缆束缚的动物身上，使介观生物学研究进入在自然行为中观察大脑的新范式。动物摆脱线缆后，如何同时分析多只动物的行为成为新的挑战。团队基于视觉基础模型SAM2开发了多动物分割与追踪工具SAM2Mice，在新的实验场景中无需重新标注训练即可使用，其多目标追踪准确度明显高于常用关键点追踪方法，处理速度约为专家人工标注的2400倍。

借助Airscope，研究团队开展了多项以往难以实现的实验：在5平方米的自然化栖息地中记录小鼠探索时的皮层活动，让5只小鼠同时佩戴设备自由互动，同步记录两只竞争小鼠的大脑皮层并据此预测胜负，在32个末端的大型迷宫中追踪小鼠长时间的自主探索，以及用两台设备对自由活动小鼠的大脑皮层与脊髓同步成像。大规模神经观测由此不再局限于少数受控的实验范式，而能跟随动物进入更丰富的自然行为。

戴琼海院士表示，Airscope为介观生物学研究又提供了重要工具，与团队前期研制的介观活体三维显微仪器RUSH3D形成互补，将推动光学脑机接口向更精准的神经探测发展，并广泛应用于免疫、肿瘤等领域。目前团队正在推动相关技术走向产业化，支撑我国科学家使用自主科学仪器作出原创突破。

供图/清华大学

文/北京青年报记者 雷嘉
编辑/刘忠禹