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1克无线介观显微镜实现自由活动小鼠大范围皮层成像
2026年10月21日 15:22:35
来源：化工仪器网 作者：宋池 点击量：529
清华大学与解放军总医院团队在《自然》报道1克重无线介观显微镜Airscope，可在自由活动小鼠6毫米视场内以单细胞分辨率记录皮层神经活动，单鼠可同时记录8500余个神经元，并用于自然行为、社会竞争和迷宫探索等实验。
2026年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》(Nature)发表题为“Cortex-wide imaging in naturally behaving mice with 1-gram wireless mesoscopes”的研究论文，报道了一款名为Airscope的无线介观显微镜。该设备本体不含电池仅重1克，可在6毫米视场内以单细胞分辨率记录自由活动小鼠大脑皮层神经活动，单只小鼠可同时记录8500余个神经元，约为现有无线成像设备的25倍。
论文摘要显示，Airscope在6毫米视场内实现4微米横向分辨率、12.5赫兹成像帧率，整机重1.0克。研究团队称，其采用非球面镜片设计，光学总长较以往微型显微镜缩短约65%，神经元记录数量可与台式单光子介观显微镜相当；定制无线链路支持每只动物超过8500个神经元的无缆钙成像。
传统神经科学研究在观测视野、分辨率和动物自由活动之间存在技术瓶颈：固定式或有线设备会限制动物行为，而传统无线设备往往重量偏大、观测范围有限。Airscope采用4片非球面镜片，在6毫米视场内实现4至6微米单细胞分辨率；搭载200万像素图像传感器，并在传感器端将数据压缩约25倍，以实现百万像素级图像无线传输。设备本体比最新头戴式介观显微镜轻30%以上，磁吸式快换电池可在2秒内更换。佩戴设备的小鼠在运动距离、速度和路径曲折度上与未佩戴设备的小鼠无显著差异。
在性能验证方面，研究团队将Airscope与双光子显微镜进行交替、近同步比对，称信号可靠性得到验证；结合DeepWonder神经元提取算法，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。连续9天记录中累计追踪到4500多个神经元，其中972个在9天中均被追踪到，同一部位长期记录时间跨度可超过200天。
为支持多动物实验，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。论文称，该工具在新场景中无需重新标注和训练即可使用；在5只小鼠追踪任务中，多目标追踪准确度(MOTA)达0.958，处理速度约为专家人工标注的2400倍。5只小鼠在直径60厘米场地中同时佩戴Airscope自由互动时，共记录到2万多个皮层神经元。
在应用实验方面，团队搭建自然化栖息地并开展多项行为测试。研究称，小鼠在栖息地中的运动速度约为标准笼内的两倍多，表现出攀爬、上下台阶、进洞等16类行为；仅凭皮层神经活动，分类模型可判断小鼠所处地形区域，去除视觉皮层神经元后识别能力未下降，相关数据集已开源。在社会竞争实验中，团队利用“钻管测试”同时记录对峙双方各数千个皮层神经元，并建立深度学习模型仅根据两只小鼠的皮层活动预测竞争胜负，准确率达81.8%。在迷宫探索实验中，团队使用32个末端的二叉树迷宫，发现皮层群体活动中的潜在状态与获得奖励时刻对齐，奖励位置改变后对应关系减弱；脑—脊髓同步记录还显示，在恐惧条件反射试次中脊髓神经活动在时间上主要领先于皮层活动。
论文称，Airscope将大视场、单细胞分辨率与轻量化无线成像结合，使自然化、多动物皮层记录在实验上更为可行，为研究自然行为与社会互动的神经机制提供了新工具。相关成果发表于《自然》。
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