●记者 陈韩梅

图片分别为：①团队部分成员合影，从左至右为吴嘉敏、戴琼海、张元龙、王鸣瑞。②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。③5只小鼠同时佩戴Airscope（实拍与SAM2Mice分割对照）；SAM2Mice无需重新标注即可在多种场景下区分小鼠。④Airscope实现大视场皮层神经元活动成像。⑤自然化栖息地中行为与神经活动的同步记录。

10月19日，清华大学自动化系教授戴琼海院士团队与解放军总医院教授戴朴团队合作在国际学术期刊《自然》（Nature）在线发表研究论文，报道全球首个突破百万像素的无线介观显微镜Airscope。

据研究团队介绍，该设备仅重1克，比最新的头戴式介观显微镜轻30%以上；它能在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，可同时记录单只小鼠的8500多个神经元，约为现有无线头戴式显微镜的25倍。这一融合光学、电子与人工智能等多学科技术的创新成果，让科学家能够在更加丰富的自然行为场景中观察大规模神经活动，也为相关脑疾病研究和光学脑机接口技术的发展提供新的研究工具。

戴琼海表示：“Airscope为介观生物学研究又提供了重要工具，将推动光学脑机接口向更精准的神经探测发展。其应用有望从神经科学拓展到免疫、肿瘤等领域，并推动相关技术走向产业化。”

难点：看清“自由”活动的大脑

以往头戴式微型显微镜的视场通常不足1毫米，只能观察较小范围的脑区；想要看得更广、更清晰，就需要采集和传输更多数据，也意味着更大的功耗和设备负担。如何在观测范围、成像精度、重量和无线传输之间取得平衡是研究团队需要解决的关键问题。

为什么要同时观察多个脑区？以人拿起杯子这一行为为例，从看到杯子、伸手触碰到获得触觉反馈，一个简单动作就需要不同脑区共同参与。

“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介绍，“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。”

突破：1克、无线、高清把显微镜戴在头上

这项突破的背后，是清华团队十余年的技术积累。自2013年起，在戴琼海带领下，团队持续开展介观活体成像技术研究，从国际首台视频帧率的宽场介观显微仪器RUSH，到首台介观活体三维成像仪器RUSH3D，不断拓展人类活体观测能力的边界。2024年，团队研制出视场达4毫米的小型化可穿戴的宽场介观显微镜，但仍受到线缆限制，难以研究完全自然状态下的哺乳动物行为。此后，团队持续优化光学设计、电子系统、端侧压缩传输与智能处理等技术，最终实现了介观大视场、单细胞分辨率与轻量化无线成像的结合，与台式的介观活体三维显微仪器形成了能力互补，真正打开了自然活动状态下多动物介观活体观测的大门。

光学系统上，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（4—6微米），镜头的光学总长比以往微型显微镜缩短约65%。据团队介绍，Airscope是目前已发表的介观显微镜中尺寸最小、重量最轻的设备。

数据传输上，Airscope采用200万像素图像传感器，并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。

实验显示，佩戴Airscope的小鼠能够爬绳、钻管，其运动距离、速度和路径曲折度等指标，与未佩戴设备的小鼠相比无显著差异。

与常规台式显微镜相比，Airscope的体积缩小了近五个数量级，但记录到的神经元信号质量仍与之相当。结合团队此前开发的DeepWonder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（通常约300个）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。

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？团队开发了多动物分割与追踪工具SAM2Mice，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。

实验：在自然化栖息地观察大脑

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、木屋等多种地形结构。小鼠在这里的运动速度是在笼内的两倍多，并表现出攀爬、上下台阶、进洞、穿越不同地形区域等16类行为。

研究发现，小鼠所处的地形区域的变化与其大脑皮层神经活动存在系统性联系：仅凭记录到的皮层神经活动，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；即使在分析中去掉视觉皮层神经元，模型的识别能力也未下降——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。据研究团队介绍，这是全球范围内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。

小鼠是群居动物，群体中往往会形成一定的社会等级：谁先获得食物、谁在竞争中占据优势，并不简单由体型大小决定。研究者关心的不只是“谁赢谁输”，更是这些社会行为发生时，大脑哪些区域在活动，以及相关神经信号如何随互动变化。在经典的“钻管测试”中，两只小鼠在狭窄管道中相遇、推挤，直到一方退出。借助Airscope，研究人员能够同时记录对峙双方的数千个皮层神经元。研究团队建立了一种双流Transformer深度学习模型，根据两只小鼠的皮层活动预测竞争结果，准确率达81.8%（随机猜测为50%）。Airscope能够同时观察更大范围的皮层，为探索社会竞争相关活动在不同脑区的分布提供新的工具。

除上述实验外，团队还设置了一座有32个末端的大型二叉树迷宫，小鼠需要连续做出5次正确转弯才能找到水奖励。研究发现，皮层群体活动中有一个潜在状态与获得奖励的时刻对齐；当奖励位置被改变后，这种对应关系随之减弱。团队还将两台Airscope分别戴在小鼠头部和背部，在自由活动状态下对大脑皮层与脊髓同步成像，可同时记录单侧大脑半球约4000个皮层神经元和两个脊髓节段的群体神经活动。在“脑-脊髓”同步成像实验中，团队还观察到不同刺激条件下皮层与脊髓在血管反应、神经活动变化等方面的差异。此外，Airscope还可用于观察小鼠游泳、悬尾、旋转平台等行为实验，并能与面部表情记录、头戴式“第一视角”相机同步，把小鼠的表情、所见画面与皮层活动对应起来。

一台仅重1克的无线介观显微镜，让科学家得以在更加接近自然的条件下，观察大范围皮层的神经活动。从实验室里的技术攻关到科研成果的开放共享，从自由活动的小鼠到面向更多物种的技术探索——Airscope的故事才刚刚开始。

吴嘉敏、戴朴、戴琼海为研究论文的通讯作者；清华大学生命学院、IDG/麦戈文脑科学研究院助理教授张元龙，复旦大学未来信息创新学院、北京中关村学院联合培养博士生李昂然，清华大学深圳国际研究生院2021级硕士校友、普林斯顿大学电子与计算机工程系博士生袁乐康，清华大学深圳国际研究生院2020级博士校友、东北大学未来技术学院副教授王鸣瑞，解放军总医院第六医学中心赵伟豪博士为共同第一作者。