一只小鼠钻进洞，又爬上台阶，在铺着厚厚垫料的“微型栖息地”里自由探索。它的头顶，佩戴着一台仅重1克的无线介观显微镜——没有线缆牵绊，没有头部固定，大脑皮层的数千个神经元活动，正被同步清晰地记录着。

日前，清华大学自动化系戴琼海院士团队与解放军总医院戴朴教授团队合作发表研究论文，报道全球首个突破百万像素的无线介观显微镜Airscope。这台迄今最小、最轻的介观显微镜，重量仅1克、只有指甲盖大小，却能在6毫米视场内以单细胞分辨率记录小鼠大脑皮层神经活动，单只小鼠可同时记录8500多个神经元，约为现有无线头戴式显微镜的25倍。

“看清”自由活动的大脑，难在何处

大脑如何在复杂自然环境中调控行为，是神经科学最基本的问题之一，也是发展脑机接口的重要基础。然而长期以来，神经科学领域研究面临着“无法兼得”的困境：能够分辨单个神经元的显微镜，往往需要把动物头部固定在仪器下，或用线缆把动物“拴”住，导致它们无法自由活动；能让动物自如活动的头戴式微型显微镜，视场却通常不足1毫米，只能看到很小一块脑区。现有无线成像设备的数据通量约为有线系统的三十分之一，重量也常超过3克，是Airscope的3倍以上，会影响小鼠的自由活动。

“我们希望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。”论文共同通讯作者、清华大学自动化系副教授吴嘉敏打了个比方，“这有点像‘细胞的社会学’，我们叫介观生物学。以大脑为例，单个神经元的活动只是其中一部分，更重要的是理解大量神经元如何通过相互联系、协同工作，形成复杂的功能。”

看得广、看得清、戴得轻、不拴线——面向这一目标，团队对显微镜进行了系统性协同设计。

“把6毫米视场和单细胞分辨率装进1克的设备，光学、照明、电子和无线传输必须一起设计。”论文第一作者、清华大学生命科学学院助理教授张元龙介绍，团队仅用4片非球面镜片，便在6毫米视场内实现了单细胞分辨率，镜头的光学总长比以往微型显微镜缩短约65%；在数据传输上，以往已发表的无线系统均未突破百万像素，而Airscope采用200万像素图像传感器，在传感器端将数据压缩约25倍，使百万像素级图像得以无线传输。整机不含电池仅重1克，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、继续记录。

与体积大近五个数量级的常规台式宏观显微镜相比，Airscope记录到的神经元信号质量大体相当。

结合团队此前开发的神经元提取算法，Airscope在单只小鼠单侧大脑半球的14个皮层脑区中，同时记录到8500多个神经元，是现有无线成像设备的25倍。团队还将它与双光子显微镜同步比对，验证了信号可靠性，同一部位的记录可持续200天以上。实验显示，佩戴Airscope的小鼠爬绳、钻管，运动距离、速度和路径曲折度与未佩戴者无显著差异。

动物摆脱线缆后，新问题随之而来：多只小鼠同时活动、相互接触时，如何准确区分追踪？团队基于视觉基础模型开发了多动物分割与追踪工具，在5只小鼠追踪任务中多目标追踪准确度达0.958，处理速度约为专家人工标注的2400倍。5只小鼠同时佩戴Airscope自由互动时，共记录到2万多个神经元。

在5平方米的“小世界”里观察大脑

标准实验笼难以让小鼠展现挖洞、长距离探索和复杂社交等自然行为。为此，团队搭建了一处2.3米×2.3米的自然化栖息地，设置隐蔽所、坡道、树洞、木屋等地形。

“小鼠能在这里‘解放天性’，运动速度达到标准实验笼中的两倍，能自然表现出攀爬、上下台阶、进洞等16类行为。”吴嘉敏说。研究发现，小鼠所处地形区域的变化与其皮层神经活动存在系统性联系：仅凭皮层神经活动，深度学习模型就能判断小鼠身处哪个区域，准确度远高于随机水平；即使去掉视觉皮层神经元，识别能力也未下降——这说明小鼠对“自己在哪儿”的感知，并不只靠眼睛看到的画面，还来自其他皮层区域对运动、触觉、空间记忆等信息的综合。据介绍，这是全球首个面向大型自然化栖息地、融合自由活动小鼠大范围皮层单细胞成像与行为记录的公开数据集。

最有意思的是经典“钻管测试”：两只小鼠在狭窄管道中相遇、推挤，直到一方退出。借助Airscope，研究人员能同时记录对峙双方的数千个皮层神经元，他们发现，两只小鼠还没碰上，光看双方这几千个神经元凑在一起的活动，就已经能分出谁强谁弱。团队建立相关模型，根据皮层活动预测竞争结果，准确率达81.8%（随机猜测为50%）。

研究团队认为，在自然、自由、群体的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。除上述实验外，团队还在小鼠游泳、悬尾等过去因线缆缠绕或牵拉而难以开展的行为中记录了皮层活动，并把小鼠的面部表情、“第一视角”所见画面与皮层活动同步对应起来。大规模神经观测由此不再局限于少数受控的实验范式，而能跟随动物进入更丰富的自然行为。

戴琼海表示：“Airscope为介观生物学研究又提供了重要工具，与团队前期研制的介观活体三维显微仪器RUSH3D形成互补，将推动光学脑机接口向更精准的神经探测发展，并能广泛应用于免疫、肿瘤等领域。目前团队正在推动相关技术走向产业化，支撑我国科学家使用自主科学仪器作出原创突破。”