一隻小鼠鑽進洞，又爬上台階，在鋪著厚厚墊料的“微型棲息地”裡自由探索。它的頭頂，佩戴著一台僅重1克的無線介觀顯微鏡——沒有線纜牽絆，沒有頭部固定，大腦皮層的數千個神經元活動，正被同步清晰地記錄著。

日前，清華大學自動化系戴瓊海院士團隊與解放軍總醫院戴朴教授團隊合作發表研究論文，報道全球首個突破百萬像素的無線介觀顯微鏡Airscope。這台迄今最小、最輕的介觀顯微鏡，重量僅1克、隻有指甲蓋大小，卻能在6毫米視場內以單細胞分辨率記錄小鼠大腦皮層神經活動，單隻小鼠可同時記錄8500多個神經元，約為現有無線頭戴式顯微鏡的25倍。

“看清”自由活動的大腦，難在何處

大腦如何在復雜自然環境中調控行為，是神經科學最基本的問題之一，也是發展腦機接口的重要基礎。然而長期以來，神經科學領域研究面臨著“無法兼得”的困境：能夠分辨單個神經元的顯微鏡，往往需要把動物頭部固定在儀器下，或用線纜把動物“拴”住，導致它們無法自由活動﹔能讓動物自如活動的頭戴式微型顯微鏡，視場卻通常不足1毫米，只能看到很小一塊腦區。現有無線成像設備的數據通量約為有線系統的三十分之一，重量也常超過3克，是Airscope的3倍以上，會影響小鼠的自由活動。

“我們希望研究大量細胞如何相互作用，進而產生組織和器官的整體功能。”論文共同通訊作者、清華大學自動化系副教授吳嘉敏打了個比方，“這有點像‘細胞的社會學’，我們叫介觀生物學。以大腦為例，單個神經元的活動只是其中一部分，更重要的是理解大量神經元如何通過相互聯系、協同工作，形成復雜的功能。”

看得廣、看得清、戴得輕、不拴線——面向這一目標，團隊對顯微鏡進行了系統性協同設計。

“把6毫米視場和單細胞分辨率裝進1克的設備，光學、照明、電子和無線傳輸必須一起設計。”論文第一作者、清華大學生命科學學院助理教授張元龍介紹，團隊僅用4片非球面鏡片，便在6毫米視場內實現了單細胞分辨率，鏡頭的光學總長比以往微型顯微鏡縮短約65%﹔在數據傳輸上，以往已發表的無線系統均未突破百萬像素，而Airscope採用200萬像素圖像傳感器，在傳感器端將數據壓縮約25倍，使百萬像素級圖像得以無線傳輸。整機不含電池僅重1克，比最新的頭戴式介觀顯微鏡輕30%以上﹔通過磁吸式快換電池，研究人員可在2秒內完成電池更換、繼續記錄。

與體積大近五個數量級的常規台式宏觀顯微鏡相比，Airscope記錄到的神經元信號質量大體相當。

結合團隊此前開發的神經元提取算法，Airscope在單隻小鼠單側大腦半球的14個皮層腦區中，同時記錄到8500多個神經元，是現有無線成像設備的25倍。團隊還將它與雙光子顯微鏡同步比對，驗証了信號可靠性，同一部位的記錄可持續200天以上。實驗顯示，佩戴Airscope的小鼠爬繩、鑽管，運動距離、速度和路徑曲折度與未佩戴者無顯著差異。

動物擺脫線纜后，新問題隨之而來：多隻小鼠同時活動、相互接觸時，如何准確區分追蹤？團隊基於視覺基礎模型開發了多動物分割與追蹤工具，在5隻小鼠追蹤任務中多目標追蹤准確度達0.958，處理速度約為專家人工標注的2400倍。5隻小鼠同時佩戴Airscope自由互動時，共記錄到2萬多個神經元。

在5平方米的“小世界”裡觀察大腦

標准實驗籠難以讓小鼠展現挖洞、長距離探索和復雜社交等自然行為。為此，團隊搭建了一處2.3米×2.3米的自然化棲息地，設置隱蔽所、坡道、樹洞、木屋等地形。

“小鼠能在這裡‘解放天性’，運動速度達到標准實驗籠中的兩倍，能自然表現出攀爬、上下台階、進洞等16類行為。”吳嘉敏說。研究發現，小鼠所處地形區域的變化與其皮層神經活動存在系統性聯系：僅憑皮層神經活動，深度學習模型就能判斷小鼠身處哪個區域，准確度遠高於隨機水平﹔即使去掉視覺皮層神經元，識別能力也未下降——這說明小鼠對“自己在哪兒”的感知，並不隻靠眼睛看到的畫面，還來自其他皮層區域對運動、觸覺、空間記憶等信息的綜合。據介紹，這是全球首個面向大型自然化棲息地、融合自由活動小鼠大范圍皮層單細胞成像與行為記錄的公開數據集。

最有意思的是經典“鑽管測試”：兩隻小鼠在狹窄管道中相遇、推擠，直到一方退出。借助Airscope，研究人員能同時記錄對峙雙方的數千個皮層神經元，他們發現，兩隻小鼠還沒碰上，光看雙方這幾千個神經元湊在一起的活動，就已經能分出誰強誰弱。團隊建立相關模型，根據皮層活動預測競爭結果，准確率達81.8%（隨機猜測為50%）。

研究團隊認為，在自然、自由、群體的行為中觀察大規模神經活動，是理解大腦如何產生智能的重要一步。除上述實驗外，團隊還在小鼠游泳、懸尾等過去因線纜纏繞或牽拉而難以開展的行為中記錄了皮層活動，並把小鼠的面部表情、“第一視角”所見畫面與皮層活動同步對應起來。大規模神經觀測由此不再局限於少數受控的實驗范式，而能跟隨動物進入更豐富的自然行為。

戴瓊海表示：“Airscope為介觀生物學研究又提供了重要工具，與團隊前期研制的介觀活體三維顯微儀器RUSH3D形成互補，將推動光學腦機接口向更精准的神經探測發展，並能廣泛應用於免疫、腫瘤等領域。目前團隊正在推動相關技術走向產業化，支撐我國科學家使用自主科學儀器作出原創突破。”