近日，中國科學(xué)院深圳先進技術(shù)研究院的一項突破性研究成果引發(fā)了廣泛關(guān)注。該研究由醫(yī)學(xué)成像全國重點實驗室的鄭海榮院士、劉成波研究員和鄭煒研究員團隊共同完成，他們成功開發(fā)了一款僅重1.7克的頭戴式成像顯微鏡。
這款顯微鏡能夠?qū)崿F(xiàn)自由活動小鼠神經(jīng)元活動與血氧代謝的同步高時空分辨成像，為探索大腦神經(jīng)血管耦合機制以及腦機接口技術(shù)的開發(fā)提供了全新的視角。相關(guān)研究成果已在《Science Advances》期刊上發(fā)表，題為“自由活動小鼠神經(jīng)與血流動力學(xué)活動的高時空分辨率頭戴式同步成像”。
神經(jīng)血管耦合，作為大腦神經(jīng)活動對局部血流、血氧進行動態(tài)調(diào)節(jié)的重要機制，是腦機接口功能成像的核心目標(biāo)。當(dāng)神經(jīng)元活躍時，其代謝需求增加，鄰近血管會迅速響應(yīng)，通過擴張和血氧調(diào)節(jié)來保障大腦的能量供應(yīng)。這一機制不僅是維持大腦正常功能的基礎(chǔ)，也是非侵入性腦機接口獲取大腦信息的關(guān)鍵。
然而，傳統(tǒng)的成像技術(shù)難以實現(xiàn)大腦神經(jīng)元和腦血流的同步高時空分辨監(jiān)測，且大多數(shù)研究僅限于頭部固定成像，無法真實反映自然行為狀態(tài)下的神經(jīng)血管耦合功能。為了解決這一難題，研究團隊通過微型化設(shè)計，將共聚焦熒光顯微鏡（CFM）和光聲顯微鏡（PAM）高效整合，構(gòu)建了一款雙模態(tài)成像探頭。
這款探頭重量極輕，僅為1.7克，能夠在自由活動的小鼠身上實現(xiàn)高時空分辨率的神經(jīng)血管同步成像。成像分辨率高達1.5微米，成像速度為0.78 Hz，視野范圍達到400微米×400微米。通過創(chuàng)新的系統(tǒng)硬件與算法，團隊成功實現(xiàn)了大腦血氧代謝成像，并同步記錄了神經(jīng)元鈣信號活動。
基于這款頭戴式顯微鏡，研究團隊成功開展了小鼠自由活動下的腦功能和腦疾病成像實驗。實驗結(jié)果顯示，該技術(shù)具有在神經(jīng)血管耦合成像研究中的巨大潛力，為解析神經(jīng)血管耦合機制和開發(fā)新一代腦機接口技術(shù)提供了有力的支持。
研究團隊還展示了該技術(shù)在腦疾病研究中的應(yīng)用前景。通過頭戴成像技術(shù)，可以非侵入地讀取靈長類動物的腦功能信息，利用神經(jīng)血管耦合機制精準(zhǔn)解析大腦功能活動。這為阿爾茨海默病、卒中等腦疾病的治療策略和干預(yù)措施的開發(fā)提供了科學(xué)依據(jù)。
這款頭戴式顯微鏡不僅具有極高的成像性能，還具有良好的佩戴舒適性和穩(wěn)定性，確保了實驗數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和可靠性。這一創(chuàng)新成果不僅推動了神經(jīng)科學(xué)和腦機接口技術(shù)的發(fā)展，也為未來腦疾病的治療和康復(fù)提供了新的可能。
隨著研究的深入，這款頭戴式顯微鏡有望在更多領(lǐng)域發(fā)揮重要作用，為神經(jīng)科學(xué)、腦機接口技術(shù)以及腦疾病治療等領(lǐng)域的研究者提供更多的啟示和幫助。
