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我国科研团队成功研制高速大视野脑成像仪器
2025年08月26日 08:50:43
来源：化工仪器网 作者：宋池 点击量：5356
中国科学院深圳先进技术研究院团队成功研制高速大视野光声/荧光多模态显微成像系统（LiTA-HM），实现活体小鼠全脑皮层神经元与微血管动态的高分辨率同步成像，为神经血管耦合机制研究提供全新观测范式，并为下一代非侵入式脑机接口技术的发展提供重要技术支撑。
近日，中国科学院深圳先进技术研究院医学成像科学与技术系统全国重点实验室郑海荣院士、刘成波研究员和郑炜研究员团队在神经成像技术领域取得重大突破，成功研制出高速大视野光声/荧光多模态显微成像仪器(LiTA-HM)，实现了对活体小鼠全脑皮层范围内神经元活动和微血管多种参量的同步、动态、高分辨成像。该研究成果发表在《科学进展》(Science Advances)期刊上。
神经血管耦合(Neurovascular Coupling, NVC)是大脑神经活动动态调控脑血流的重要功能机制，是维持大脑正常功能的基础，也是非侵入脑机接口获取大脑信息的关键。然而，传统成像技术因探测范围有限(通常<1 mm²)或时空分辨率不足，难以实现全脑尺度的神经元与血管活动实时高精度观测，制约了该机制的深入研究。
研究团队在第一代头戴式显微成像技术基础上实现了再次突破。新研制的LiTA-HM仪器创新性地融合了光学分辨率光声显微成像（OR-PAM）与共聚焦荧光显微成像（CFM）技术，在硬件层面实现了双模态图像同步获取与精确配准。该系统具备6μm空间分辨率，6 mm×5 mm成像视野，以及每秒1.25帧频的成像速度，突破了传统多模态系统在成像视野、分辨率与成像速度之间相互制约的局限。
该研究发展了多面转镜与阵列换能器技术，采用8通道阵列换能器探测光声信号，即使在6 mm的大成像视野下仍能保持极高的探测灵敏度。研究团队还开发了适用于阵列换能器探测的光声图像重建算法，通过加权平均和自适应条纹滤波与校正算法，显著提升了图像信噪比，有效解决了阵列探测引入的图像亮暗条纹问题。
通过光学仿真优化，团队进一步改进了多面转镜及其扫描光路系统，在6mm成像视野下保持约6 μm的一致分辨率，焦深达到292 μm，为大视野光声/荧光多模态成像提供了关键技术支撑。
基于LiTA-HM仪器，研究团队成功开展了多场景应用实验，揭示了神经血管耦合的时空特征。在癫痫发作状态下的研究中，团队成功捕捉到了全脑视野下的神经元与血管网络的扩散性抑制波(SD)传播过程，发现神经元钙离子动态与脑血管血液灌注强度波动在空间和时间上具有显著相关性。这一发现为临床癫痫诊断和治疗过程中定位病灶、预测发作时机提供了新思路。
在缺氧与麻醉刺激下的神经血管耦合研究中，团队观察到大脑皮层在不同状态下存在异质性响应。研究表明，在缺氧和麻醉状态下，大脑皮层神经元活动均受到显著抑制，血管显著扩张，但其响应模式和机制存在明显差异。
研究团队表示将继续优化系统成像性能，扩大成像视野并提升成像速度，计划将技术应用于灵长类动物全脑视野的高速成像。在脑机接口应用方面，该技术有潜力用于脑功能信息非侵入读取，基于神经血管耦合机制精准解析大脑功能活动，为脑机接口研究提供关键科学依据和技术支撑。
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