最輕的頭戴式熒光顯微鏡問世

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1月29日，中國科學技術大學、中國科學院深圳先進技術研究院腦疾病與腦認知研究所畢國強團隊和深圳理工大學（籌）周鵬程團隊合作在《國家科學評論》發表最新成果。

研究團隊面向多腦區同步記錄的需求，通過系統優化光學、電子學和機械方面的設計，開發了目前世界上最輕的（0.43克）的超緊湊頭戴式熒光顯微鏡TINIscope，并在自由活動的小鼠上實現了對四個海馬亞區神經元鈣活動的同步成像。該顯微鏡為神經科學家提供了一種新的重要研究手段，用于探索動物在感知、認知和行為等方面的神經元級別的跨腦區協調作用。

TINIscope與五美分硬幣對比圖 研究團隊供圖

傳統的頭戴式設備重量大約為2克，在小鼠等小動物頭上植入4個設備會因為較大負重而影響其正常自由活動。在該研究中，研究人員采用了具備串行輸出功能且尺寸更小的圖像傳感器（CMOS）芯片，取消了序列化器芯片的使用，最大化減少了頭戴部分的額外電路功能，并解決了信號傳輸方面的挑戰。

在光路方面，頭戴式設備的熒光激發光路（LED側）和采集光路（CMOS側）通常為垂直排列。傳統設備中尺寸較大的CMOS側位于豎直方向，由于小鼠頭部空間有限，無法同時放置四個設備。為解決該問題，研究人員改變了TINIscope的光路設計，將CMOS側轉移到水平方向，使尺寸較小的LED側位于豎直方向，從而使其更易在頭部排布。此外，TINIscope在安裝時更易調節角度，可實現最小間距為1.2毫米的兩個腦區的同步成像，基本上實現任意四個目標腦區同步記錄。研究人員還開發了換向裝置和整套實驗記錄系統，解決了自由活動動物電纜纏繞的問題。

在實際應用中，研究人員對小鼠海馬四個亞區的神經元進行鈣濃度指示蛋白GCaMP6s標記，并利用TINIscope進行四腦區同步成像。通過定量行為分析，佩戴四個設備并沒有對小鼠的自由活動產生明顯影響。研究人員分別在T迷宮和曠場環境中記錄了小鼠四個海馬亞區的神經元活動，發現約25%的神經元亞群具有空間調制特性。此外，研究人員還驗證了設備采集到數據的可靠性。

實驗小鼠佩戴四個TINIscope顯微鏡實物圖 研究團隊供圖

該顯微鏡的尺寸和重量優勢使其與其他方法相結合變得更加容易。研究人員在四個海馬亞區同步記錄的實驗基礎上，在大腦扣帶回部分進行光遺傳或電生理刺激，記錄到了對刺激有響應的神經活動。此外，他們還從中檢測到了尖波漣漪放電。