仅重1克、记录8500多个神经元：中国造世界最轻无线介观显微镜，看到了什么从前看不到的？

中国科学家研制出目前已知世界最轻的无线介观显微镜：整机重量仅1克，在6毫米视场内就能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，约为现有同类型设备的25倍。这一成果10月19日由清华大学戴琼海院士团队与解放军总医院戴朴教授团队合作，在线发表于国际期刊《自然》。这台显微镜只有指甲盖大小，能像小帽子一样固定在小鼠脑袋上；戴着它，小鼠照常爬绳、钻管，运动距离、速度和路径曲折度与没戴设备的小鼠没有显著差异。新华网北京日报
“轻”之所以值得上《自然》，是因为它拆掉了神经科学研究多年的困境：能看清单个神经元的显微镜，往往要把动物头部固定在仪器下、或用线缆把动物“拴”住，动物无法自由活动；能自由活动的头戴式微型显微镜，视场却通常不足1毫米，只能看到一小块脑区。“看得广、看得清、戴得轻、不拴线”这四个目标相互制约，长期以来是神经科学研究的一大挑战。
清华团队的解法是一套系统性协同设计。光学上，只用了4片非球面镜片，就在6毫米视场内实现了单细胞分辨率的介观成像，分辨率达到4至6微米。传输上，团队用200万像素图像传感器在传感端就压缩数据，让百万像素级图像得以无线传输。重量上，常规头戴式微型显微镜通常超过3克，本身就妨碍小鼠自由活动，而这台设备整机仅1克，比最新的头戴式介观显微镜还要轻30%以上，成为全球首个突破百万像素的无线介观显微镜。清华大学
设备真正解锁的，是一批过去“想做做不了”的实验。团队在5平方米的自然栖息地里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，发现皮层活动会随小鼠所处地貌区域系统性变化。在实验室搭出的“花园世界”里，小鼠的运动速度达到标准实验笼中的两倍，自然表现出攀爬、进洞、穿越不同地貌等16类行为。
更有意思的是解码结果：仅凭皮层神经元的活动信号，深度学习模型就能准确判断小鼠处在哪个区域；即使去掉视觉皮层的神经元，位置依然能判断清楚——大脑对环境位置的感知，远不只是“眼睛看到画面”这么简单。这类问题，在头部固定、视场只有1毫米的旧设备上看不到，也问不出口。
所谓“介观”，是介于宏观器官和微观单细胞之间的观测尺度：既覆盖大范围脑区，又看清每个细胞。在戴琼海看来，这台“看得广、看得清、戴得轻、不拴线”的显微镜，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的神经探测发展；团队也把未来应用展望到了免疫、肿瘤等领域。从记录小鼠皮层走向这些场景仍有工程长路，“有望”二字，目前只属于论文的展望部分。