3月21日，来自中国科学院深圳先进技术研究院研究团队的最新成果发表于《科学进展》。他们开发了一款重量仅有1.7克的头戴式成像显微镜，实现了自由活动下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探索和脑机接口技术开发提供了新思路。深圳先进院为该研究第一单位。
研究团队通过微型化设计，整合共聚焦荧光显微镜和光声显微镜，成功构建了重量仅1.7克的双模态成像探头，可在自由活动小鼠实现高时空分辨率的神经血管同步成像。成像分辨率达到1.5微米，成像速度为0.78赫兹，视野范围为400微米×400微米。通过系统硬件与算法创新，实现了大脑血氧代谢成像，并同步记录神经元钙信号活动。
1.7克头戴式成像显微镜。研究团队供图
神经血管耦合是大脑神经活动对局部血流、血氧动态调节的一种功能机制，也是脑机接口功能成像神经活动的核心目标。当神经元活跃时，其代谢需求增加，邻近血管通过扩张和血氧调节进行快速响应，从而保障大脑神经活动能量供应。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。但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，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；且大多数研究局限于头部固定成像，无法真实反映自然行为状态下的神经血管耦合功能。
传统光学显微镜受限于光学器件体积与信号采集复杂性，难以兼顾高分辨率与动物行为自由度，无法实现神经血管同步成像。该研究的核心创新点在于实现了双模态成像的轻量化集成，利用共聚焦荧光显微术实时追踪神经元钙信号活动，结合光声显微术无标记检测血氧饱和度、总血红蛋白含量、含氧/脱氧血红蛋白浓度及血管直径等多维度参数，实现对神经活动和血管情况的同步成像。
为验证该技术，研究团队开展了小鼠自由活动下的脑功能和脑疾病成像验证实验，他们观察到在全局缺氧挑战下、局部躯体感觉刺激下小鼠的神经血管调控情况，展示了该技术在神经血管耦合成像研究中的潜力。此外，他们还在小鼠癫痫模型中观察到，癫痫爆发前低强度高频神经放电导致的血氧消耗与部分血管异常扩张，这种先于癫痫猝发放电的氧消耗和血管扩张，为癫痫干预治疗提供了潜在的时间窗口。
小鼠正常活动与癫痫发作时的成像结果和神经血管融合图。研究团队供图
“该项研究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，为解析神经血管耦合机制和开发新一代脑机接口技术提供了新思路。”论文共同通讯作者、深圳先进院研究员刘成波介绍，未来，研究人员将在两方面推进该研究。在成像技术方面，继续优化头戴式显微镜的性能，进一步扩大成像视场，提高成像景深和速度，并探索融合多光子荧光显微成像等其它模态，满足更广泛的研究需求。在脑机接口应用方面，探索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。
相关论文信息：https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.adu1153
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