世界上最轻的超紧凑头戴式荧光显微镜——TINIscope

　　

  

2024年1月29日，中国科学技术大学、中科院深圳先进技术研究院脑疾病与脑认知研究所毕国强教授课题组和深圳理工大学（筹）周鹏程课题组合作在National Science Review杂志在线发表名为“Multi-region calcium imaging in freely behaving mice with ultra-compact head-mounted fluorescence microscopes”的工作。

该工作直接面向多脑区同步记录的需求，通过系统优化光学、电子学和机械方面的设计，开发了目前世界上最轻的（0.43克）的超紧凑头戴式荧光显微镜——TINIscope，并在自由活动的小鼠上实现了对四个海马亚区神经元钙活动的同步成像。TINIscope为神经科学家提供了一种新的重要研究手段，用于探索动物在感知、认知和行为等方面的神经元级别的跨脑区协调作用。

图1：TINIscope光学、电路和系统设计以及四脑区成像结果（图片来源：作者论文原文）

传统的头戴式设备重量大约为2克，在小鼠等小动物头上植入4个设备会因为较大负重而影响其正常自由活动。研究人员注意到传统设备使用的图像传感器（CMOS）输出并行信号，然后通过序列化器芯片将其转换为串行信号，再由同轴电缆传输到数据采集板（DAQ）。其中序列化器芯片及其相关电学元件占据了很大一部分重量。在TINIscope的设计中，研究人员采用了具备串行输出功能且尺寸更小的CMOS芯片，取消了序列化器芯片的使用，最大化减少了头戴部分的额外电路功能（如电源支持、振荡器）。这种设计为信号传输带来了挑战，因此研究人员额外定制了相关电路，并使用柔性电路板传输信号。

在光路方面，头戴式设备的荧光激发光路（LED侧）和采集光路（CMOS侧）通常为垂直排列。传统设备中尺寸较大的CMOS侧位于竖直方向，由于小鼠头部空间有限，无法同时放置四个设备。为解决该问题，研究人员改变了TINIscope的光路设计，将CMOS侧转移到水平方向，使尺寸较小的LED侧位于竖直方向，从而使其更易在头部排布。此外，研究人员还对TINIscope的头部固定底座进行了优化，使得在安装时更易调节角度。通过这些优化设计，TINIscope可以实现最小间距为1.2毫米的两个脑区的同步成像，基本上可以实现任意四个目标脑区都能够同步记录。此外，为了解决自由活动动物电缆缠绕的问题，研究人员还开发了换向装置和整套实验记录系统。

图2 从TINIscope记录到的神经元活动解码空间位置信息（图片来源：作者论文原文）

在实际应用中，研究人员对小鼠海马的四个亚区（左右背侧和左右中间部位海马）的神经元进行钙浓度指示蛋白GCaMP6s标记并利用TINIscope进行四脑区同步成像。通过定量的行为分析，佩戴四个设备并没有对小鼠的自由活动产生明显影响。研究人员分别在T迷宫和旷场环境中记录了小鼠四个海马亚区的神经元活动，并发现了约25%的神经元亚群具有空间调制特性。此外，研究人员还训练了机器学习模型，对记录的神经活动进行解码得到小鼠的空间位置，验证了设备采集到数据的可靠性。

TINIscope的尺寸和重量优势使其与其他方法相结合变得更加容易。研究人员在四个海马亚区同步记录的实验基础上，还在扣带回进行光遗传或电生理刺激，并记录到了对刺激有响应的神经活动。此外，研究人员还结合了电生理记录技术，在四个钙成像区域附近，同步记录其局部场电位活动，并从中检测到了尖波涟漪（Ripple）放电。

图3TINIscope与光遗传刺激、电生理刺激和记录技术的融合

中国科学技术大学、中国科学院深圳先进技术研究院与深圳理工大学为该论文的共同通讯单位。第一作者为中科大博士后薛峰、张轲铭和中科院深圳先进院的博士后李飞，通讯作者为中国科学技术大学、中国深圳先进技术研究院的毕国强教授和深圳理工大学（筹）的助理教授周鹏程。该工作得到了中国科学院战略性先导专项、国家自然科学基金委-广东联合基金、自然科学基金委、广东省重点领域研发计划项目等的资助。

论文连接：https://academic.oup.com/nsr/article/11/1/nwad294/7438875