本文围绕中国科学院深圳先进技术研究院医学成像全国重点实验室团队的研究成果展开，介绍了他们开发的1.7克头戴式成像显微镜，该显微镜实现了自由活动小鼠神经元活动与血氧代谢的同步高时空分辨成像，对大脑神经血管耦合机制探索和脑机接口技术开发意义重大，还提及了未来研究方向。
在科技飞速发展的当下，脑科学研究领域又迎来了一项重大突破。3月22日，中国科学院深圳先进技术研究院发布公告，其医学成像全国重点实验室的郑海荣院士、刘成波研究员和郑炜研究员团队，成功开发出一款重量仅1.7克的头戴式成像显微镜。这一创新成果实现了自由活动小鼠神经元活动与血氧代谢的同步高时空分辨成像，为大脑神经血管耦合机制的探索以及脑机接口技术的开发提供了全新的思路。
该研究成果以“Simultaneous head – mounted imaging of neural and hemodynamic activities at high spatiotemporal resolution in freely behaving mice”为题，在知名期刊Science Advances上发表。
神经血管耦合（Neurovascular Coupling, NVC）是大脑中极为重要的一种功能机制。它指的是大脑神经活动对局部血流、血氧进行动态调节的过程，同时也是脑机接口功能成像神经活动的核心目标。当神经元处于活跃状态时，其代谢需求会显著增加，此时邻近的血管会通过扩张以及血氧调节来快速响应，以此保障大脑神经活动的能量供应。可以说，这一机制是维持大脑正常功能的基础，也是非侵入脑机接口获取大脑信息的关键所在。
然而，传统技术在脑科学研究中存在明显的局限性。一方面，传统技术难以实现大脑神经元和脑血流在体同步高时空分辨监测，导致无法精准获得神经元活动与附近血流、血氧动态信息的关联；另一方面，大多数研究局限于头部固定成像，这种方式无法真实反映自然行为状态下的神经血管耦合功能。
面对这些难题，研究团队经过不懈努力，通过微型化设计实现了共聚焦荧光显微镜（CFM）和光声显微镜（PAM）的高效整合与同步。他们构建了重量仅1.7克的双模态成像探头，这个探头能够在自由活动小鼠身上实现高时空分辨率的神经血管同步成像。其成像分辨率达到了1.5微米，成像速度为0.78 Hz，视野范围为400微米 ×400微米。此外，通过系统硬件与算法创新，团队还实现了大脑血氧代谢成像，并同步记录神经元钙信号活动。
基于这款头戴式显微镜，团队成功开展了小鼠自由活动下的脑功能和脑疾病成像实验。实验结果充分展示了该技术在神经血管耦合成像研究中的巨大潜力。
该项研究具有里程碑式的意义，它首次实现了对自由活动小鼠大脑神经元活动与血液动力学的同步高时空分辨成像。这不仅为解析神经血管耦合机制提供了有力的工具，也为开发新一代脑机接口技术开辟了新的道路。
展望未来，研究可以在成像技术和脑机接口应用两个层面继续深入推进。
在成像技术方面，团队将继续优化头戴式显微镜的性能。他们计划进一步扩大成像视场，提高成像景深和速度，并且探索融合多光子荧光显微成像等其它模态，以满足更广泛的研究需求。
在脑机接口应用方面，研究人员可探索将头戴成像技术应用于灵长类动物脑功能信息非侵入读取。利用神经血管耦合机制精准解析大脑功能活动，为阿尔茨海默病、卒中等脑疾病开发新的治疗策略和干预措施提供科学依据。
本文介绍了中国科学院深圳先进技术研究院团队开发的1.7克头戴式成像显微镜，它实现了自由活动小鼠神经元活动与血氧代谢的同步高时空分辨成像，突破了传统技术的局限，为脑科学研究带来新思路。未来将在成像技术和脑机接口应用两方面持续推进研究，有望为脑疾病治疗等领域提供新方法。
原创文章，作者：Dermot，如若转载，请注明出处：https://www.qihaozhang.com/archives/5679.html
