僅0.43克！我國(guó)科學(xué)家開(kāi)發(fā)出目前世界上最輕的頭戴式熒光顯微鏡

1月29日，中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)、中國(guó)科學(xué)院深圳先進(jìn)技術(shù)研究院腦疾病與腦認(rèn)知研究所畢國(guó)強(qiáng)教授課題組和深圳理工大學(xué)（籌）周鵬程課題組合作在National Science Review雜志在線發(fā)表名為“Multi-region calcium imaging in freely behaving mice with ultra-compact head-mounted fluorescence microscopes”的工作。

該工作直接面向多腦區(qū)同步記錄的需求，通過(guò)系統(tǒng)優(yōu)化光學(xué)、電子學(xué)和機(jī)械方面的設(shè)計(jì)，開(kāi)發(fā)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(dòng)的小鼠上實(shí)現(xiàn)了對(duì)四個(gè)海馬亞區(qū)神經(jīng)元鈣活動(dòng)的同步成像。TINIscope為神經(jīng)科學(xué)家提供了一種新的重要研究手段，用于探索動(dòng)物在感知、認(rèn)知和行為等方面的神經(jīng)元級(jí)別的跨腦區(qū)協(xié)調(diào)作用。

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圖1.TINIscope光學(xué)、電路和系統(tǒng)設(shè)計(jì)以及四腦區(qū)成像結(jié)果

傳統(tǒng)的頭戴式設(shè)備重量大約為2克，在小鼠等小動(dòng)物頭上植入4個(gè)設(shè)備會(huì)因?yàn)檩^大負(fù)重而影響其正常自由活動(dòng)。研究人員注意到傳統(tǒng)設(shè)備使用的圖像傳感器（CMOS）輸出并行信號(hào)，然后通過(guò)序列化器芯片將其轉(zhuǎn)換為串行信號(hào)，再由同軸電纜傳輸?shù)綌?shù)據(jù)采集板（DAQ）。其中序列化器芯片及其相關(guān)電學(xué)元件占據(jù)了很大一部分重量。在TINIscope的設(shè)計(jì)中，研究人員采用了具備串行輸出功能且尺寸更小的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（如電源支持、振蕩器）。這種設(shè)計(jì)為信號(hào)傳輸帶來(lái)了挑戰(zhàn)，因此研究人員額外定制了相關(guān)電路，并使用柔性電路板傳輸信號(hào)。

在光路方面，頭戴式設(shè)備的熒光激發(fā)光路（LED側(cè)）和采集光路（CMOS側(cè)）通常為垂直排列。傳統(tǒng)設(shè)備中尺寸較大的CMOS側(cè)位于豎直方向，由于小鼠頭部空間有限，無(wú)法同時(shí)放置四個(gè)設(shè)備。為解決該問(wèn)題，研究人員改變了TINIscope的光路設(shè)計(jì)，將CMOS側(cè)轉(zhuǎn)移到水平方向，使尺寸較小的LED側(cè)位于豎直方向，從而使其更易在頭部排布。此外，研究人員還對(duì)TINIscope的頭部固定底座進(jìn)行了優(yōu)化，使得在安裝時(shí)更易調(diào)節(jié)角度。通過(guò)這些優(yōu)化設(shè)計(jì)，TINIscope可以實(shí)現(xiàn)最小間距為1.2毫米的兩個(gè)腦區(qū)的同步成像，基本上可以實(shí)現(xiàn)任意四個(gè)目標(biāo)腦區(qū)都能夠同步記錄。此外，為了解決自由活動(dòng)動(dòng)物電纜纏繞的問(wèn)題，研究人員還開(kāi)發(fā)了換向裝置和整套實(shí)驗(yàn)記錄系統(tǒng)。

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圖2.從TINIscope記錄到的神經(jīng)元活動(dòng)解碼空間位置信息

在實(shí)際應(yīng)用中，研究人員對(duì)小鼠海馬的四個(gè)亞區(qū)（左右背側(cè)和左右中間部位海馬）的神經(jīng)元進(jìn)行鈣濃度指示蛋白GCaMP6s標(biāo)記并利用TINIscope進(jìn)行四腦區(qū)同步成像。通過(guò)定量的行為分析，佩戴四個(gè)設(shè)備并沒(méi)有對(duì)小鼠的自由活動(dòng)產(chǎn)生明顯影響。研究人員分別在T迷宮和曠場(chǎng)環(huán)境中記錄了小鼠四個(gè)海馬亞區(qū)的神經(jīng)元活動(dòng)，并發(fā)現(xiàn)了約25%的神經(jīng)元亞群具有空間調(diào)制特性。此外，研究人員還訓(xùn)練了機(jī)器學(xué)習(xí)模型，對(duì)記錄的神經(jīng)活動(dòng)進(jìn)行解碼得到小鼠的空間位置，驗(yàn)證了設(shè)備采集到數(shù)據(jù)的可靠性。

TINIscope的尺寸和重量?jī)?yōu)勢(shì)使其與其他方法相結(jié)合變得更加容易。研究人員在四個(gè)海馬亞區(qū)同步記錄的實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上，還在扣帶回進(jìn)行光遺傳或電生理刺激，并記錄到了對(duì)刺激有響應(yīng)的神經(jīng)活動(dòng)。此外，研究人員還結(jié)合了電生理記錄技術(shù)，在四個(gè)鈣成像區(qū)域附近，同步記錄其局部場(chǎng)電位活動(dòng)，并從中檢測(cè)到了尖波漣漪（Ripple）放電。

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圖3.TINIscope與光遺傳刺激、電生理刺激和記錄技術(shù)的融合

中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)、中國(guó)科學(xué)院深圳先進(jìn)技術(shù)研究院與深圳理工大學(xué)為該論文的共同通訊單位。第一作者為中國(guó)科大博士后薛峰、張軻銘和中國(guó)科學(xué)院深圳先進(jìn)院的博士后李飛，通訊作者為中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)、中國(guó)深圳先進(jìn)技術(shù)研究院的畢國(guó)強(qiáng)教授和深圳理工大學(xué)（籌）的助理教授周鵬程。該工作得到了中國(guó)科學(xué)院戰(zhàn)略性先導(dǎo)專(zhuān)項(xiàng)、國(guó)家自然科學(xué)基金委-廣東聯(lián)合基金、自然科學(xué)基金委、廣東省重點(diǎn)領(lǐng)域研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目等的資助。

相關(guān)連接：https://academic.oup.com/nsr/article/11/1/nwad294/7438875