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脑探测器“微型自然栖息地”里,几只小鼠正钻进洞穴,克中爬上台阶、国造小桥,微型自由玩耍。何读它们头上都佩戴着一台仅1克重的脑探测器微型显微镜。旁边电脑上,克中代表神经元的国造荧光光点明灭闪烁,研究人员正同步记录小鼠大脑皮层中数千个神经元的微型活动。
从探索陌生环境到与同伴互动,何读大脑如何协调成千上万个神经元的脑探测器活动,是克中神经科学长期追索的问题。但一直以来,国造能在较大范围内分辨单个神经元的微型显微镜,往往需要固定动物头部或连接线缆;能让动物自由活动的何读设备,又难以兼顾观测范围和成像精度。

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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