A team at Tsinghua University has developed Airscope, a 1-gram wireless mesoscopic microscope, with the results published in Nature
English text is being prepared.
The team led by Dai Qionghai of Tsinghua University and the team led by Dai Pu of Chinese PLA General Hospital have developed Airscope, a wireless mesoscopic microscope weighing only 1 gram. It can record neural activity in the mouse cerebral cortex within a 6-millimeter field of view at 4 to 6 micrometers single-cell resolution, and a single mouse can have more than 8,500 neurons recorded simultaneously, 25 times that of existing devices of the same type. The device uses only 4 aspheric lenses and achieves on-device compression through a 2-megapixel image sensor, enabling wireless transmission of megapixel-level images and freeing it from cable constraints. The results were published online in Nature on the 19th, and the team has used it to record cortical activity in multiple mice in a 5-square-meter natural habitat and a large maze with 32 endpoints.
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The device simultaneously achieves wireless operation, a wide field of view, and single-cell resolution, allowing readers to learn about hardware advances in brain-computer interfaces and neural observation.
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如何在自然、群体行为中清楚“看到”大脑神经元对复杂行为的调控，是理解智能的重要基础。我国科学家研制出目前世界最轻无线介观显微镜，重量仅1克，可在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，单只小鼠可同时记录8500多个神经元，是现有同类型设备的25倍。该成果19日在线发表于《自然》。
让显微镜同时能“看得广、看得清、戴得轻、不拴线”是神经科学研究的一大挑战。现有能分辨单个神经元的显微镜虽看得清，但往往需将小鼠头部固定在仪器下或用线缆将其“拴”住，但这样很难研究动物的一些复杂自然行为；头戴式微型显微镜虽不用给动物拴线，但视场通常不足1毫米，仅能看到很小一块脑区。想要同时覆盖更大范围皮层又要有更高清分辨率，就需要更重且更大功耗的显微镜。
图为佩戴Airscope的小鼠在实验室搭建场景中自由探索。新华社记者魏梦佳 摄
为此，中国工程院院士、清华大学教授戴琼海团队与解放军总医院戴朴团队合作，通过集成化设计和系统性优化，研制出超轻无线介观显微镜Airscope，仅用4片非球面镜片，就在6毫米视场内实现单细胞分辨率（即4至6微米）的观测。
“无线、轻巧、宽视场、高通量是Airscope的显著特点。”清华大学自动化系副教授吴嘉敏介绍，常规头戴式微型显微镜重量通常超过3克，会影响小鼠自由活动。而Airscope不仅摆脱了线缆束缚，尺寸更轻巧，还通过200万像素图像传感器实现端侧压缩，使百万像素级图像得以无线传输。
图为观测到的小鼠大脑神经元图像。（研究团队供图）
借助这种动物“可穿戴”设备，团队完成了许多过去受线缆或设备重量所限难以实现的实验，如在5平方米自然栖息地中同时记录多只小鼠探索时的大脑皮层活动；在32个末端的大型迷宫中追踪小鼠长时间自主探索等。
戴琼海认为，这一新型显微镜为理解智能的神经基础提供了新工具，将推动光学脑机接口向更精准神经探测发展，未来其应用还有望从神经科学拓展到免疫、肿瘤等领域，实现对疾病发生过程的完整追踪。
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