2024年1月29日，中國科學技術大學、中國科學院深圳先進技術研究院腦疾病與腦認知研究所畢國強教授課題組和深圳理工大學（籌）周鵬程課題組合作在National Science Review雜志在線發表名為“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同步記錄的需求，通過系統優化光學、電子學和機械方面的設計，開發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，并在自由活動的小鼠上實現了對四個海馬亞區神經元鈣活動的同步成像。TINIscope為神經科學家提供了一種新的重要研究手段，用于探索動物在感知、認知和行為等方面的神經元級別的跨腦區協調作用。

圖1 TINIscope光學、電路和系統設計以及四腦區成像結果

傳統的頭戴式設備重量大約為2克，在小鼠等小動物頭上植入4個設備會因為較大負重而影響其正常自由活動。研究人員注意到傳統設備使用的圖像傳感器（CMOS）輸出并行信號，然后通過序列化器芯片將其轉換為串行信號，再由同軸電纜傳輸到數據采集板（DAQ）。其中序列化器芯片及其相關電學元件占據了很大一部分重量。在TINIscope的設計中，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）。這種設計為信號傳輸帶來了挑戰，因此研究人員額外定制了相關電路，并使用柔性電路板傳輸信號。

在光路方面，頭戴式設備的熒光激發光路（LED側）和采集光路（CMOS側）通常為垂直排列。傳統設備中尺寸較大的CMOS側位于豎直方向，由于小鼠頭部空間有限，無法同時放置四個設備。為解決該問題，研究人員改變了TINIscope的光路設計，將CMOS側轉移到水平方向，使尺寸較小的LED側位于豎直方向，從而使其更易在頭部排布。此外，研究人員還對TINIscope的頭部固定底座進行了優化，使得在安裝時更易調節角度。通過這些優化設計，TINIscope可以實現最小間距為1.2毫米的兩個腦區的同步成像，基本上可以實現任意四個目標腦區都能夠同步記錄。此外，為了解決自由活動動物電纜纏繞的問題，研究人員還開發了換向裝置和整套實驗記錄系統。

圖2 從TINIscope記錄到的神經元活動解碼空間位置信息

在實際應用中，研究人員對小鼠海馬的四個亞區（左右背側和左右中間部位海馬）的神經元進行鈣濃度指示蛋白GCaMP6s標記并利用TINIscope進行四腦區同步成像。通過定量的行為分析，佩戴四個設備并沒有對小鼠的自由活動產生明顯影響。研究人員分別在T迷宮和曠場環境中記錄了小鼠四個海馬亞區的神經元活動，并發現了約25%的神經元亞群具有空間調制特性。此外，研究人員還訓練了機器學習模型，對記錄的神經活動進行解碼得到小鼠的空間位置，驗證了設備采集到數據的可靠性。

TINIscope的尺寸和重量優勢使其與其他方法相結合變得更加容易。研究人員在四個海馬亞區同步記錄的實驗基礎上，還在扣帶回進行光遺傳或電生理刺激，并記錄到了對刺激有響應的神經活動。此外，研究人員還結合了電生理記錄技術，在四個鈣成像區域附近，同步記錄其局部場電位活動，并從中檢測到了尖波漣漪（Ripple）放電。

圖3 TINIscope與光遺傳刺激、電生理刺激和記錄技術的融合

中國科學技術大學、中國科學院深圳先進技術研究院與深圳理工大學為該論文的共同通訊單位。第一作者為中國科大博士后薛峰、張軻銘和中國科學院深圳先進院的博士后李飛，通訊作者為中國科學技術大學、中國深圳先進技術研究院的畢國強教授和深圳理工大學（籌）的助理教授周鵬程。該工作得到了中國科學院戰略性先導專項、國家自然科學基金委-廣東聯合基金、自然科學基金委、廣東省重點領域研發計劃項目等的資助。

論文連接：https://academic.oup.com/nsr/article/11/1/nwad294/7438875

（生命科學與醫學部、科研部）