1克！中國造微型「腦探測器」如何「讀懂大腦」？

在清華大學實驗室內搭建的「微型自然棲息地」裏，幾隻小鼠正鑽進洞穴，爬上台階、小橋，自由玩耍。它們頭上都佩戴着一台僅1克重的微型顯微鏡。旁邊電腦上，代表神經元的熒光光點明滅閃爍，研究人員正同步記錄小鼠大腦皮層中數千個神經元的活動。

從探索陌生環境到與同伴互動，大腦如何協調成千上萬個神經元的活動，是神經科學長期追索的問題。但一直以來，能在較大範圍內分辨單個神經元的顯微鏡，往往需要固定動物頭部或連接線纜；能讓動物自由活動的設備，又難以兼顧觀測範圍和成像精度。

為此，中國工程院院士、清華大學教授戴瓊海團隊與解放軍總醫院戴朴團隊合作，研製出重量僅1克的無綫介觀顯微鏡Airscope，可在6毫米視場內以單細胞分辨率記錄小鼠大腦皮層的神經活動，單只小鼠可同時記錄8500多個神經元，是現有同類型設備的25倍。該成果19日晚在線發表於《自然》。

在多隻動物自由運動和社交時，能以單細胞分辨率同時記錄大範圍腦區中的大量神經元，有望揭示大腦對於複雜行為的調控機理。這就要求顯微鏡既能「看得廣、看得清」，又能「戴得輕、不拴線」。

為什麼要看得廣？以人拿起杯子為例，從看到杯子、伸手觸碰，到獲得觸覺反饋，一個簡單動作就需要不同腦區共同參與。只有清楚看到多個腦區的活動，才能更好地理解神經元如何相互聯繫、協同工作。

清華大學自動化系副教授吳嘉敏說，現有的頭戴式微型顯微鏡，雖實現了動物的自由活動，但視場通常不足1毫米，僅能看到很小一塊腦區。而對於能分辨單個神經元的顯微鏡來說，雖能看得清大範圍皮層，但仍需將小鼠頭部固定在儀器下或用線纜將其「拴」住，這會讓動物難以自由活動，甚至產生應激反應。

「幾乎所有小型化顯微鏡都要使用線纜進行供電和數據傳輸，這使動物活動範圍有限。如果觀測兩隻動物，線纜還會纏繞，難以觀察其自然交互行為。」清華大學生命科學學院助理教授張元龍說，「想要覆蓋更大範圍皮層、有更高清分辨率，就需要更重且更大功耗的顯微鏡，但額外的重量和功耗會讓動物難以自由活動，這不利於自然狀態下對動物神經和行為的研究。」

研究人員稱，團隊研製的Airscope整機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秒內完成電池更換並繼續記錄。在光學系統上，僅用4片非球面鏡片，就在6毫米的寬視場內實現對多個腦區的單細胞分辨率（即4至6微米）的觀測。

「把6毫米視場和單細胞分辨率裝進重1克的設備，光學、照明、電子和無綫傳輸必須一起設計。」張元龍說，他們用AI完成鏡頭設計，在傳感器端把數據量壓縮，才讓整套系統輕到不影響小鼠的自然行為，同時使百萬像素級圖像得以無綫傳輸。

藉助Airscope，團隊完成了許多過去受線纜或設備重量所限難以實現的實驗，觀測小鼠在自然狀態下進行多種複雜探索時的大腦神經元變化。例如，在5平方米自然化棲息地中同時記錄多隻小鼠探索時的大腦皮層活動；在32個末端的大型迷宮中追蹤小鼠長時間自主探索等。目前，團隊正推動相關技術走向產業化。

戴瓊海表示，這一新型顯微鏡為理解智能的神經基礎提供了新工具，將推動光學腦機接口向更精準神經探測發展，未來其應用還有望從神經科學拓展到免疫、腫瘤等領域，實現對疾病發生過程的完整追蹤。

張元龍說，Airscope有望用於觀測和追蹤阿爾茨海默病、腦損傷、心血管疾病、抑鬱症等疾病在模型動物中的發生發展過程，研究單個細胞在病程中扮演什麼角色，為疾病機制研究和防治提供線索。

一台中國造的微型「腦探測器」，讓科學家得以在更接近自然條件下，觀察大範圍皮層的大規模神經活動。但「看見」更多神經元，並不意味着已「讀懂」大腦。不同腦區神經元如何相互聯繫，協同參與探索、社交等複雜行為？還有更多問題等待人們探索和解答。

（來源：新華社）