研究透视 | 戴琼海院士领衔！仅重1克！清华团队研制成功世界最轻介观显微镜，Nature

2026年10月19日，清华大学与解放军总医院团队合作，在《自然》（Nature）发表题为“Cortex-wide imaging in naturally behaving mice with 1-gram wireless mesoscopes”的研究论文，报道了首个突破百万像素的无线介观显微镜Airscope。该设备本体（不含电池）仅重1克，可在6毫米视场内以单细胞分辨率记录小鼠大脑皮层神经活动，单只小鼠可同时记录8500多个神经元，约为现有无线成像设备的25倍。借助Airscope，研究团队在自然化栖息地探索、多鼠社交、社会竞争、迷宫探索和脑—脊髓同步成像等多种场景中，观测了自由活动小鼠的大范围皮层神经活动，为在更接近自然的条件下研究行为的神经基础提供了新的工具。

探索环境、与同伴互动、参与竞争等自然行为，往往需要多个脑区、成千上万个神经元协同参与。要理解这些行为的神经基础，研究者需要在动物自由活动时，以单细胞分辨率同时记录大范围脑区的活动。然而，能够在较大范围内分辨单个神经元的成像系统，往往需要固定动物头部或连接线缆；可随动物活动的头戴式微型显微镜，视场通常不足1毫米；已发表的无线成像系统均未突破百万像素，难以兼顾观测范围、成像精度与动物的活动自由。

为让显微镜既“看得广、看得清”，又“戴得轻、不拴线”，研究团队对光学、照明、电子与无线传输进行了系统协同设计。光学系统仅用4片非球面镜片，即在6毫米视场内实现4—6微米的单细胞分辨率，光学总长较以往微型显微镜缩短约65%，是迄今尺寸最小的介观显微镜。Airscope采用200万像素图像传感器，并在传感器端将数据压缩约25倍，使百万像素级图像得以无线传输；设备本体比最新的头戴式介观显微镜轻30%以上，磁吸式快换电池可在2秒内完成更换。佩戴Airscope的小鼠能够攀爬绳索、穿行管道，其运动距离、速度和路径曲折度与未佩戴设备的小鼠无显著差异。

图1：佩戴Airscope的小鼠攀爬绳索（左）、穿行管道（右）

与常规台式宏观显微镜相比，Airscope体积缩小近五个数量级，记录到的神经元信号质量与之相当。结合团队此前开发的DeepWonder神经元提取算法，Airscope在单只小鼠单侧大脑半球的14个皮层脑区中同时记录到8500多个神经元。团队将其与双光子显微镜进行交替、近同步比对，验证了信号的可靠性；在连续9天的记录中累计追踪到4500多个神经元，其中972个在9天中均被追踪到，同一部位的长期记录时间跨度可超过200天。

图2：Airscope在单侧大脑半球的大范围皮层中以单细胞分辨率检测数千个神经元

摆脱线缆后，多只小鼠可以在同一环境中自由互动。为准确区分并追踪每个个体，团队基于视觉基础模型SAM2开发了多动物分割与追踪工具SAM2Mice，在新的实验场景中无需重新标注和训练即可使用；在5只小鼠的追踪任务中，其多目标追踪准确度（MOTA）达0.958，处理速度约为专家人工标注的2400倍。5只小鼠在直径60厘米的场地中同时佩戴Airscope自由互动时，共记录到2万多个皮层神经元。

标准实验笼难以让小鼠充分展现长距离探索等自然行为。为此，团队搭建了2.3米×2.3米的自然化栖息地，设置隐蔽所、坡道、树洞等多种地形结构。小鼠在栖息地中的运动速度是在笼内的两倍多，并表现出攀爬、上下台阶、进洞等16类行为。仅凭皮层神经活动，分类模型即可判断小鼠所处的地形区域，准确度远高于随机水平；在分析中去除视觉皮层神经元后，识别能力并未下降。团队已将这一“栖息地—神经活动”数据集开源，这是同类首个公开数据集。论文共同第一作者张元龙表示：“自然行为条件下的大规模神经活动数据非常稀缺，我们希望通过开源，让没有相关设备的实验室也能直接开展分析，共同探索大脑与行为的关系。这些数据也可以为构建大脑活动与行为的计算模型、发展神经科学人工智能模型提供基础。”

图3：2.3米×2.3米自然化栖息地全景与小鼠行为实拍

社会等级是群居动物分配资源、减少冲突的重要组织方式。在经典的“钻管测试”中，两只小鼠在狭窄管道中相遇、推挤，直到一方退出。借助Airscope，研究人员同时记录了对峙双方各数千个皮层神经元。结果显示，与推挤、抵抗、后退相关的神经元广泛分布于背侧皮层；优势个体与从属个体的神经群体活动在双方接触之前即可区分，双方的皮层活动还表现出超出随机水平的相关性。团队建立的双流Transformer深度学习模型仅根据两只小鼠的皮层活动即可预测竞争胜负，准确率达81.8%，明显高于随机猜测的50%；在排除已测量的运动与行为变量影响后，预测能力仍未下降。在多环路管道网络以及争夺食物、跑轮等竞争实验中，研究团队得到了一致的结果。此前研究已发现前额叶皮层等脑区与社会等级有关；Airscope能够同时观察更大范围的皮层，为探索社会竞争相关活动在不同脑区的分布提供了新的工具。

图4：钻管测试中，两只佩戴Airscope的小鼠相遇、推挤，双方的皮层神经活动被同步记录

在一座有32个末端的二叉树迷宫中，小鼠需要连续做出5次正确转弯才能找到水奖励。无线设计避免了线缆在反复转弯中缠绕，小鼠可以长时间自主探索。研究发现，皮层群体活动中的一个潜在状态与获得奖励的时刻对齐，奖励位置改变后这种对应关系随之减弱。团队还将两台Airscope分别佩戴在小鼠头部和背部，在自由活动状态下对大脑皮层与脊髓同步成像，同时记录单侧大脑半球约4000个皮层神经元和两个脊髓节段的群体神经活动；在恐惧条件反射试次中，脊髓神经活动在时间上主要领先于皮层活动。此外，Airscope还可用于强迫游泳、悬尾等行为实验，并能与面部表情记录、头戴式“第一视角”相机同步。

“Airscope将大视场、单细胞分辨率与轻量化无线成像结合在一起，使研究人员能够在更接近自然的条件下观察大规模神经活动，为研究自然行为与社会互动的神经机制、相关脑疾病研究以及光学脑机接口技术的发展提供了新的研究工具。”张元龙表示。

图文导读

图1 | 优化的1克Airscope设计。

图2 | Airscope特性及自由活动动物中SAM2Mice分析。

图3 | Airscope在5平方米自然主义场地中对自由行为动物的成像。

图4 | 自由行为小鼠配对中竞争互动的分布式背侧皮层相关物。

图5 | Airscope对自由探索中复杂动物—环境互动的成像。

图6 | 自由行为小鼠双Airscope同步脊髓和大脑皮层成像。

清华-北大生命科学联合中心研究员、清华大学生命学院、IDG/麦戈文脑科学研究院助理教授张元龙，复旦大学未来信息创新学院、中关村学院博士生李昂然，普林斯顿大学电子与计算机工程系博士生袁乐康，东北大学未来技术学院王鸣瑞副教授，解放军总医院第六医学中心赵伟豪博士为论文共同第一作者；清华大学自动化系吴嘉敏副教授、解放军总医院戴朴教授、清华大学自动化系戴琼海教授为论文共同通讯作者。

该研究得到国家自然科学基金、北京市自然科学基金、清华-北大生命科学联合中心、膜生物学国家重点实验室和清华大学笃实专项等的支持，并得到北京信息科学与技术国家研究中心的支持。

论文链接：https://www.nature.com/articles/s41586-026-11293-x

数据集链接：https://doi.org/10.6084/m9.figshare.33942097

代码链接（Airscope工具箱）：https://doi.org/10.6084/m9.figshare.33942148

信息来源：清华-北大生命科学联合中心、今日新材料

2026中国国际石墨烯创新大会

11月13-15日中国·温州

“2026年中国国际石墨烯创新大会”将由石墨烯产业技术创新战略联盟（CGIA）和正泰集团联合主办，将于2026年11月13-15日在温州市（乐清）举办。大会聚焦石墨烯应用市场，着力促进石墨烯创新成果与产业端的深度对接合作，推动石墨烯产业迈向高质量发展新阶段。2026中国国际石墨烯材料应用博览会将同期举办。

点击下方链接，了解大会详情：

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??会议日程 | 2026中国国际石墨烯创新大会

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