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仅重1克!我国科学家研制出无线超微型介观显微镜

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2.3米×2.3米自然化栖息地的三维重建,多台相机同步记录小鼠行为

几只小鼠头戴显微镜,灵活地攀爬、跑轮、钻树洞、穿木管;一旁的屏幕上,小鼠大脑皮层的神经元活动成像清晰显现。这是清华大学自动化系成像与智能技术实验室的一幕。


图为无线超微型介观显微镜

近日,清华大学戴琼海教授团队与解放军总医院戴朴教授团队合作,研制出突破百万像素的无线介观显微镜Airscope。该设备仅重1克,能在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。相关成果10月19日发表于国际学术期刊《自然》。


传统成像需固定动物头部或用线缆牵引,行为受限;Airscope无需线缆,小鼠可在自然化环境中自由活动

“如何让显微镜看得广、看得清、戴得轻、不拴线,是我们面临的挑战。”论文共同第一作者、清华大学生命科学学院助理教授张元龙介绍,在自然、自由、群体行为中观察大规模神经活动,是理解大脑如何产生智能的重要一步,“已有设备中,有的虽能看清大范围大脑皮层,却需要固定动物头部或连接线缆,动物行为受限;有的虽能实现动物自由活动,却只能看到不足1毫米的一小块脑区。”

为此,研究团队对显微镜的光学、照明、电子和无线传输进行了系统性协同设计。


Airscope结构与佩戴示意动画

光学上,团队仅用4片非球面镜片,就在6毫米视场内实现了单细胞分辨率,光学总长比以往微型显微镜缩短约65%,成为迄今最小的介观显微镜。数据传输上,采用200万像素图像传感器,并在传感器端将数据压缩,使百万像素级图像得以无线传输。介观,则意味着介于宏观和微观之间,既能覆盖大范围组织,又能分辨其中的单个细胞,从而能够从系统学角度研究大量细胞如何相互作用,进而产生组织和器官的整体功能。


两只佩戴Airscope的小鼠在钻管测试中相遇、推挤

借助这一无线超微型介观显微镜,研究团队开展了多项以往受线缆或设备重量限制而难以实现的实验,能够在动物完全自然状态下记录体内的细胞级动态反应。例如,在5平方米的自然化栖息地中记录多只小鼠探索社交时的皮层活动,同步记录2只竞争小鼠的大脑皮层并据此预测胜负,在大型迷宫中追踪小鼠长时间自主探索等。


部分团队成员合影 从左至右:吴嘉敏、戴琼海、张元龙、王鸣瑞

论文共同通讯作者、清华大学自动化系副教授吴嘉敏表示,该显微镜为介观生物学研究提供了重要工具,为理解智能的神经基础提供了新途径,将推动光学脑机接口向更精准的神经探测发展,并有望广泛应用于免疫、肿瘤等领域,助力守护人民生命健康。

(来源:人民日报客户端)

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