1.7克头戴式成像显微镜。
本报讯 中国科学院深圳先进技术研究院（以下简称深圳先进院）研究团队开发了一款重量仅有1.7克的头戴式成像显微镜，可实现自由活动下小鼠神经元活动与血氧代谢的同步高时空分辨成像，为大脑神经血管耦合机制探索和脑机接口技术开发提供了新思路。近日，相关研究成果发表于《科学进展》。
通过微型化设计，研究团队整合共聚焦荧光显微镜和光声显微镜，成功构建了重量仅1.7克的双模态成像探头，可在自由活动的小鼠身上实现高时空分辨率的神经血管同步成像。通过系统硬件与算法创新，研究团队实现了大脑血氧代谢成像，并同步记录了神经元钙信号活动。
研究发现，传统光学显微镜受限于光学器件体积与信号采集复杂性，难以兼顾高分辨率与动物行为自由度，无法实现神经血管同步成像。该研究的核心创新点在于实现了双模态成像的轻量化集成，利用共聚焦荧光显微术实时追踪神经元钙信号活动，结合光声显微术无标记检测血氧饱和度、总血红蛋白含量、含氧/脱氧血红蛋白浓度及血管直径等多维度参数，实现对神经活动和血管情况的同步成像。
为验证该技术，研究团队开展了小鼠自由活动下的脑功能和脑疾病成像验证实验，他们观察到在全局缺氧挑战下、局部躯体感觉刺激下小鼠的神经血管调控情况，展示了该技术在神经血管耦合成像研究中的潜力。此外，他们还在小鼠癫痫模型中观察到癫痫发作前低强度高频神经放电导致的血氧消耗与部分血管异常扩张。这种先于癫痫猝发放电的氧消耗和血管扩张，为癫痫干预治疗提供了潜在的时间窗口。
“这项研究首次实现了对自由活动小鼠大脑神经元活动与血液动力学的同步高时空分辨成像，为解析神经血管耦合机制和开发新一代脑机接口技术提供了新思路。”论文共同通讯作者、深圳先进院研究员刘成波介绍，未来研究人员将在成像技术方面继续优化头戴式显微镜的性能，进一步扩大成像视场，提高成像景深和速度，并探索融合多光子荧光显微成像等其他模态，满足更广泛的研究需求；在脑机接口应用方面，探索头戴成像技术应用于灵长类动物脑功能信息非侵入读取，利用神经血管耦合机制精准解析大脑功能活动，为阿尔茨海默病、卒中等脑疾病开发新的治疗策略和干预措施提供科学依据。（刁雯蕙）
相关论文信息：
10.1126/sciadv.adu1153
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