重量仅1克 只有指甲盖大小 最小最轻“超级显微镜”问世
迄今为止最小、最轻的介观显微镜在清华大学诞生了。昨天,从清华自动化系教授戴琼海团队获悉,利用自主研发的无线介观“超级显微镜”,科研团队清晰地记录到了小鼠大脑皮层的8500多个神经元活动,分辨率达到了单细胞级别。
这台显微镜重量仅1克、只有指甲盖大小,可以像帽子一样固定在小鼠脑袋上。利用它,科研团队首次观察到了小鼠自然行为背后的大脑活动。
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。清华生命科学学院助理教授张元龙介绍,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。
面向看得广、看得清、戴得轻、不拴线的目标,科研团队对显微镜进行了系统性协同设计。“我们用4片非球面镜片,在6毫米的大视场内实现了单细胞分辨率的介观成像,打造了迄今为止最小、最轻的介观显微镜。”张元龙说。此外,在数据传输方面,以往的无线显微镜均未突破百万像素,而清华团队采用了200万像素的图像传感器,在传感端就压缩数据,使百万像素级图像得以无线传输。
“利用自主开发的神经元提取算法,我们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,这个数量是此前无线显微镜成像水平的25倍。”张元龙解读,这意味着,这台“超级显微镜”虽然又小又轻,但记录到的神经元信号质量却丝毫不差。
实验显示,佩戴着“超级显微镜”,小鼠能照常爬绳、钻管,从运动距离、速度和路径曲折度等评估运动能力的数据上来看,与未佩戴显微镜的小鼠并无显著差异。
借助“超级显微镜”,团队开展了多项前沿实验。清华自动化系副教授吴嘉敏表示,过去受设备限制,自然栖息地实验很难同步记录大范围皮层神经活动。现在科研人员仅凭皮层神经元的活动信号,就能用深度学习模型准确判断小鼠所在的具体区域。值得一提的是,即使去掉视觉皮层的神经元,也能清晰判断位置。(何蕊)
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