清华戴琼海教授团队 Nature: 研制成功世界最轻无线介观显微镜 - 重1克 · 分辨率单细胞级别|介观|光学|显微镜|清华戴琼海|皮层|神经元

长期以来，神经科学研究存在技术瓶颈，传统显微设备难以兼顾观测视野、分辨率与动物自然行为。固定式设备或有线装置会束缚动物活动，导致行为失真，而传统无线设备重量偏大、观测范围狭小，无法记录大规模神经元活动。

据此,清华大学戴琼海教授团队利用自主研发的无线介观“超级显微镜”，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。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。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。

佩戴Airscope的小鼠攀爬绳索（左）、穿行管道（右）

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及光学脑机接口技术的发展提供了新的研究工具。

Airscope的轻量化设计与性能优势。（a）设备结构示意；（b）佩戴Airscope的小鼠攀爬、钻管实拍；（c）佩戴与未佩戴小鼠的运动距离、速度和路径曲折度无显著差异；（d）与已发表无线神经记录设备相比，Airscope仅重1克即可记录8500多个神经元；（e）头戴式显微镜中最大的单细胞分辨率视场；（f）设备尺寸、重量和视场占比对比。

戴琼海教授表示：“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。”

2026年10月19日, 相关论文以“Cortex-wide imaging in naturally behaving mice with 1-gram wireless mesoscopes”为题发表在Nature上。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、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论文共同第一作者；清华大学自动化系吴嘉敏副教授、解放军总医院戴朴教授、清华大学自动化系戴琼海教授为论文共同通讯作者。

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。

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。

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。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。

Airscope结构与佩戴示意动画

“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。

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【相关成果发表于2023年《自然·方法》(Nature Methods)】，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。

研究团队还将Airscope与双光子显微镜进行同步比对，验证了神经元信号的可靠性，同一部位的记录可持续200天以上。

Airscope实现大视场皮层神经元活动成像。左：大范围皮层神经元成像；中：局部神经元识别；右：神经元钙信号曲线。

动物摆脱线缆后, 又面临一个新问题：多只小鼠同时活动、相互接触时，怎样准确区分并追踪每只小鼠？基于视觉基础模型SAM2，开发了多动物分割与追踪工具SAM2Mice。它能够从影像中识别并持续追踪不同个体，在新的实验场景中无需重新标注、训练即可使用。

5只小鼠同时成像

在5只小鼠的追踪任务中，其多目标追踪准确度（MOTA）达0.958，明显高于常用关键点追踪方法的0.703，处理速度约为专家人工标注的2400倍。在此基础上，团队让5只小鼠在直径60厘米的场地中同时佩戴Airscope，在它们自由互动时，共记录到2万多个神经元，并观察到互动时出现的不同神经活动模式。相关数据集和分割结果已开源。

5只小鼠同时佩戴Airscope（实拍与SAM2Mice分割对照）；中：虚线框内小鼠的皮层神经活动；右：SAM2Mice无需重新标注即可在多种场景下分割小鼠。

在实验室为小鼠搭建的“花园世界”，让小鼠戴着无线介观“超级显微镜”在其中自如活动。

借助“超级显微镜”，团队开展了多项前沿实验。在实验室里，为小鼠搭建的“花园世界”，里面设置了隐蔽所、坡道、树洞、木屋等。“小鼠能在这里‘解放天性’，运动速度达到了标准实验笼中的两倍，能自然表现出攀爬、上下台阶、进洞、穿越不同地貌区域等16类不同的行为。” 清华自动化系副教授吴嘉敏表示，过去受设备限制，这类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 - 这说明大脑对环境位置的感知，远不只是眼睛看到画面那么简单。

最有意思的是“狭路相逢”测试。“这是一种评估小鼠社会等级的经典测试，我们让两只小鼠在狭窄管道中面对面相遇，直到一方退出管道。”吴嘉敏说，在这个过程中，科研人员能同时记录两只小鼠的数千个皮层神经元。

两只佩戴Airscope的小鼠在钻管测试中相遇、推挤

此前已有研究发现前额叶皮层及部分丘脑核团与社会等级有关。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。团队希望沿着这一方向，进一步研究社会行为与情绪状态的神经机制，并为抑郁症等相关研究提供线索。

小鼠在32端迷宫探索

在一座有32个末端的大型二叉树迷宫中，小鼠需要连续做出5次正确转弯才能找到水奖励。Airscope的无线设计避免了线缆在反复转弯中缠绕、扭转，小鼠可以长时间自主探索。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。

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。

自由活动小鼠的大脑皮层与脊髓同步成像

在“脑-脊髓”同步成像实验中，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。其中，在特定恐惧条件反射实验中，脊髓神经活动在时间上主要领先于皮层活动，为进一步研究脑与脊髓之间的活动联系提供了新的观测数据。

游泳实验同步记录

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。

介观尺度是介于宏观和微观单细胞观测之间的关键地带，既能覆盖完整器官级的观测范围，又能看清每一个细胞的动态活动。戴琼海教授表示，“超级显微镜”的问世，标志着介观生物学研究正式进入“在自然行为中观测大脑”的全新阶段。未来，它不仅有望推动脑科学、脑机接口研究取得突破，还可拓展应用至免疫、肿瘤等领域，加速相关技术的产业化落地。