僅重1克、指甲蓋大小　我國研製世界最輕無線介觀顯微鏡　單隻小鼠同步記錄8500個神經元

2026年10月19日，清華大學戴瓊海院士團隊與解放軍總醫院戴樸教授團隊合作，在國際頂尖學術期刊《自然》（Nature）在線發表研究論文，宣布成功研製出目前全世界最輕的無線介觀顯微鏡——Airscope。這台設備僅重1克，約為指甲蓋大小，可在6毫米視場內以單細胞分辨率記錄自然狀態下小鼠大腦皮層的神經活動，單隻小鼠可同時記錄超過8500個神經元，是現有同類型設備的25倍。

長期以來，神經科學研究面臨一大技術瓶頸：傳統顯微設備難以兼顧觀測視野、分辨率與動物自然行為。固定式設備或有線裝置會束縛動物活動，導致行為失真；而傳統無線設備重量偏大、觀測範圍狹小，無法記錄大規模神經元活動。現有能分辨單個神經元的顯微鏡雖然看得清，但往往需要將小鼠頭部固定在儀器下或用線纜將其「拴」住，難以研究動物的複雜自然行為；頭戴式微型顯微鏡雖不用給動物拴線，但視場通常不足1毫米，僅能看到很小一塊腦區。

Airscope的誕生徹底打破這一困局。整機不含電池僅重1克，相較同類頭戴設備減重超30%，尺寸比以往微型顯微鏡縮短約65%。設備搭載200萬像素圖像傳感器，以僅4片非球面鏡片的極簡光學結構，實現6毫米超大視場單細胞分辨率成像，光學總長大幅縮短。通過高效數據壓縮技術，在傳感器端將數據壓縮約25倍，使百萬像素級圖像得以無線傳輸。配合磁吸式快換電池，研究人員可在2秒內完成電池更換、繼續記錄，保障長時間持續觀測。

「無線、輕巧、寬視場、高通量是Airscope的顯著特點。」清華大學自動化系副教授吳嘉敏介紹，常規頭戴式微型顯微鏡重量通常超過3克，會影響小鼠自由活動。而Airscope不僅擺脫了線纜束縛，尺寸更輕巧，佩戴設備的動物可正常完成攀爬、鑽管等各類自然動作，其運動距離、速度和路徑曲折度等指標與未佩戴設備的小鼠相比無顯著差異。

借助這種動物「可穿戴」設備，研究團隊完成了許多過去受線纜或設備重量所限難以實現的實驗。他們在5平方米自然棲息地中同時記錄多隻小鼠探索時的大腦皮層活動；在32個末端的大型迷宮中追蹤小鼠長時間自主探索；甚至在2.3米乘2.3米的自然化棲息地中，觀察小鼠鑽進洞穴、爬上台階的自由探索行為。研究團隊還成功識別出多個背側腦區的皮層活動模式，這些模式與社會支配行為特徵相關，並表明背側皮層群體活動能夠前瞻性地解碼成對動物的競爭結局，準確率達81.8%。

中國工程院院士、清華大學教授戴瓊海表示，這一新型顯微鏡為理解智能的神經基礎提供了新工具，將推動光學腦機接口向更精準神經探測發展。未來其應用還有望從神經科學拓展到免疫、腫瘤等領域，實現對疾病發生過程的完整追蹤。論文第一作者、清華大學生命學院助理教授張元龍介紹：「把6毫米視場和單細胞分辨率裝進1克的設備，光學、照明、電子和無線傳輸必須一起設計。我們用AI完成鏡頭設計，在傳感器端把數據量壓縮約25倍，才讓整套系統輕到不影響小鼠的自然行為。」