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。