研发背景与突破

大脑在复杂自然环境中如何调控行为是神经科学的核心问题，也是脑机接口发展的重要基础。清华生命科学学院助理教授张元龙指出，此前神经科学研究面临困境：高分辨率显微镜通常需要固定动物头部或使用线缆，限制了动物自由活动；而头戴式微型显微镜的视场通常不足1毫米，观察范围有限。

为了实现“看得广、看得清、戴得轻、不拴线”的目标，中国工程院院士、清华自动化系教授戴琼海团队对显微镜进行了系统性协同设计。该团队利用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，打造出迄今为止最小、最轻的介观显微镜。

设备性能与技术特点

这台“超级显微镜”重量仅为1克，尺寸与指甲盖相当，可像帽子一样固定在小鼠头部。在数据传输方面，该团队采用了200万像素的图像传感器，并通过在传感端压缩数据，实现了百万像素级图像的无线传输，突破了以往无线显微镜未突破百万像素的限制。

依托自主开发的神经元提取算法，科研团队在单只小鼠单侧大脑半球的14个皮层脑区中，同时记录到了8500多个神经元的活动。张元龙表示，这一记录数量是此前无线显微镜成像水平的25倍，且信号质量并未因设备的小型化而下降。

实验结果与应用

实验数据显示，佩戴该显微镜的小鼠能够照常进行爬绳、钻管等活动。在运动距离、速度和路径曲折度等运动能力评估指标上，佩戴设备的小鼠与未佩戴者并无显著差异。

科研人员利用该设备在模拟自然栖息地的“花园世界”中开展实验。清华自动化系副教授吴嘉敏表示，小鼠在设有隐蔽所、坡道、树洞和木屋的环境中能表现出攀爬、进洞等16类自然行为，运动速度达到标准实验笼中的两倍。过去受设备限制，此类自然栖息地实验难以同步记录大范围皮层神经活动，而现在研究人员仅凭皮层神经元活动信号，即可通过深度学习模型准确判断小鼠所在的具体区域。