Nature：清华团队研发 1 克重无线介观显微镜 Airscope，实现自由活动小鼠全皮层成像

摘要

揭示自由活动动物的分布式皮层回路如何协调行为，仍是系统神经科学的核心挑战，受限于视野有限、通量低以及现有微型显微镜所需的线缆束缚^1-4。在此，我们提出 Airscope，一种无线介观显微镜，在 6 mm 视野内以 12.5 Hz 提供 4 μm 横向分辨率，重 1.0 克。非球面透镜设计使总光程长度比以往微型显微镜^1,2,5,6缩短 2.84 倍，同时达到台式单光子介观显微镜的神经元产量；定制的无线链路支持每只动物对 >8,500 个神经元进行无缆钙成像（提升 25 倍）。配合零样本行为分析器，Airscope 可在丰富的行为条件下进行皮层成像，包括房间尺度的丰富化场地、游泳实验和多器官植入，并可同时记录多只动物。利用 Airscope，我们展示了无束缚皮层成像在多种行为范式中的多样化应用。我们识别出多个背侧区域中与社会支配地位的行为特征相关的皮层活动模式，并表明背侧皮层群体活动可前瞻性地解码配对动物间的竞争结果。我们观察到迷宫探索期间与奖励位置相关的皮层活动模式，并通过同步脑-脊髓记录，刻画了恐惧条件化过程中从脊髓到皮层的 Granger 因果影响。通过将大规模、细胞分辨率记录与无约束行为相结合，Airscope 使自然主义的多动物皮层记录在实验上变得可行，并为系统神经科学提供了一种广泛可及的技术。

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作者信息

作者说明

这些作者贡献相同：Yuanlong Zhang、Angran Li、Lekang Yuan、Mingrui Wang、Weihao Zhao

作者与所属机构

清华大学IDG/麦戈文脑科学研究院、清华-北大生命科学联合中心、生命科学学院、膜生物学国家重点实验室、生命科学与人工智能中心，北京，中国
Yuanlong Zhang、Zhenbo Wang、Yangxuan Zhou、Lin Gao、Rongkang Zhu、Mengyi Tian 和 Kun Li
清华大学自动化系脑与认知科学研究所IDG/麦戈文脑科学研究院认知智能北京重点实验室，北京，中国
Yuanlong Zhang、Tao Yu、Jiamin Wu 和 Qionghai Dai
复旦大学未来信息技术学院，上海，中国
Angran Li
中关村学院，北京，中国
Angran Li
普林斯顿大学电气与计算机工程系，普林斯顿，新泽西州，美国
Lekang Yuan
东北大学未来技术学院，沈阳，中国
Mingrui Wang
中国人民解放军总医院第六医学中心耳鼻咽喉头颈外科医学部，中国人民解放军医学院，北京，中国
Weihao Zhao、Yu Wu 和 Pu Dai
清华大学临床医学院，北京，中国
Boyang Zang

作者

Yuanlong Zhang
Angran Li
Lekang Yuan
Mingrui Wang
Weihao Zhao
Zhenbo Wang
Boyang Zang
Yangxuan Zhou
Tao Yu
Lin Gao
Yu Wu
Rongkang Zhu
Mengyi Tian
Kun Li
Jiamin Wu
Pu Dai
Qionghai Dai

通讯作者

通讯作者：Jiamin Wu、Pu Dai 或 Qionghai Dai。

补充信息

补充信息（下载 PDF）

本文件包括补充说明 1-5、补充图 1-19、补充表 1-4、补充视频 1-16 的图例以及补充参考文献。

报告摘要（下载 PDF）

同行评审文件（下载 PDF）

补充视频 1（下载 MP4）

Airscope 概述。Airscope 组装流程与无线神经元记录。

第 1 部分：展示一只佩戴 Airscope 的自由活动小鼠，随后展示设备组装、LED 照明、荧光采集、快速更换电池、电池供电运行、板载 SD 卡存储，以及通过 Wi-Fi 在计算机上实时预览神经元。

第 2 部分：使用 Airscope 采集的代表性神经元成像。比例尺，500 μm。

第 3 部分：代表性应用，包括在 5 m² 开放栖息环境中同时记录多只自由互动的小鼠，以及使用两个 Airscope 对单只小鼠进行双位点成像，同时记录皮层和脊髓活动。

补充视频 2（下载 MP4）

评估 Airscope 对自由活动行为的影响。动物在 400 × 400 × 300 mm3 的旷场 arena 中接受评估，分别仅佩戴头杆（左图）和佩戴 Airscope（右图）。上排：由 SAM2Mice 处理用于自动动物分割的代表性原始视频帧。下排：从分割视频中提取的相应运动轨迹。比例尺：10 cm。

补充视频 3（下载 MP4）

Airscope 神经记录及高分辨率 3D 重建骨骼。左上：由八台环绕摄像头拍摄的小鼠佩戴 Airscope 的侧视视频。中上：带有 SAM2Mice 分割的俯视行为视频。

右上：基于多摄像头视角重建的 3D 骨骼42。左下：原始及去背景的钙成像。

中下：使用 100 帧滑动窗口计算的逐帧单神经元连接，不透明度表示连接强度。右下：各脑区神经活动热图，并附两个脑区的示例神经元轨迹。

比例尺，500 μm。

补充视频 4（下载 MP4）

通过 SAM2Mice 实现稳健的零样本分割与身份追踪。第 I 部分：在开阔场地和食物竞争场景中对多只小鼠进行零样本 SAM2Mice 分割，并与真值和 SAM2 进行比较。

第 II 部分：在 2.3 × 2.3 m 栖息地中使用 YOLO v11 生成的身份提示进行无提示分割。第 III 部分：在多样化行为环境中的稳健零样本性能。

第 IV 部分：在动物依次出现过程中的动态身份追踪，并与 DeepLabCut 进行比较。第 V 部分：针对三只和五只小鼠的多动物分割，并与 SuperAnimal 和 DeepLabCut 进行比较。

SAM2Mice 在拥挤条件下保持稳健的分割和一致的身份。J&F 表示平均 Jaccard 指数和 F 分数。

补充视频 5（下载 MP4）

使用 Airscope 进行同步动物群体记录，并使用 SAM2Mice 进行多动物实例分割。左上：五只佩戴 Airscope 的小鼠在 60 cm 圆形场地中自由活动，显示为原始视频和 SAM2Mice 分割。

圆点表示 2 秒质心轨迹，高亮边界标记近距离社交互动（<2 cm）。中上：带 2 秒轨迹的身份编码分割掩码。右上：由掩码质心导出的 3D X–Y–时间轨迹。

下：来自五只小鼠的同步 Airscope 记录，包含 21,397 个神经元。热图显示皮层神经动态及代表性钙轨迹。条形颜色对应由分割掩码定义的动物身份。

补充视频 6（下载 MP4）

佩戴 Airscope 的动物群体在大规模、复杂的自然环境中自由探索。左：2.3 × 2.3 m 自然栖息地的多角度视频，该栖息地包含沙地、花丛和草地，并布置了树洞、庇护所、楼梯和跑轮。摄像头阵列能够从多个视角对佩戴 Airscope 的小鼠进行全面行为追踪。右：来自三只自由活动小鼠的同步 Airscope 记录。每个面板显示全皮层神经活动热图，放大插图显示随时间变化的代表性神经元钙轨迹。

补充视频 7（下载 MP4）

通过 Airscope 对管测试中社会等级竞争的神经记录。

上：对管测试社会行为的逐帧人工标注，捕捉从初始静止阶段到胜者产生的完整序列，并标注四种行为类别：推、抵抗、退却和静止。

中：竞争性管实验的侧视图。小鼠植入 Airscope，可在社会竞争期间同步进行神经记录。紧凑的 Airscope 设计允许动物在管内不受限制地活动。

下图：两只小鼠的同步钙信号记录。左侧面板显示多区域活动热图，右侧面板突出显示随时间变化的详细神经元轨迹。

补充视频 8（下载 MP4）

通过 Airscope 对物体玩耍和食物竞争进行神经记录。第一部分：物体玩耍竞争。

上图：侧视视频，带有优势（橙色）和从属（绿色）小鼠的 SAM2Mice 掩码、分割掩码以及 10 秒运动轨迹；在占据轮子期间，掩码边界被高亮显示。

下图：两只小鼠的多区域神经活动，附有插图钙轨迹，以及由 SAM2Mice（GT）和模型预测量化的轮子占据情况。

优势与从属占据比例分别以橙色和绿色显示；虚线表示 0.8。第二部分：食物竞争。布局和分析与第一部分相同，应用于食物竞争。

补充视频 9（下载 MP4）

使用 Airscope 对动物自由探索复杂迷宫进行神经记录。左上：配备 Airscope 的小鼠在 15 × 8 二元迷宫中导航，带有 SAM2Mice 分割，显示当前位置和行为状态。

中上：原始和去除背景的钙成像。右上：运动轨迹，箭头按速度缩放。左下：皮层神经活动热图及代表性神经元轨迹。

中下：使用 100 帧滑动窗口计算的逐帧单神经元连接性，不透明度表示连接强度。

右下：迷宫拓扑的二叉树表示，高亮路径动态显示小鼠的选择序列。比例尺，500 μm。

补充视频 10（下载 MP4）

使用 Airscope 对动物在强迫游泳测试（FST）期间进行神经记录。左上：手动标注的运动行为，分为漂浮、挣扎和游泳（方法）。视频中的白线表示当前时间。

左下：一只配备 Airscope 的小鼠在直径 20 cm 的圆柱形容器中进行强迫游泳测试（左）。展示了 SAM2Mice 生成的相应分割掩码视频（右）。

右：FST 期间不同脑区的神经活动热图，右侧展示了从两个皮层区域采样的轨迹。

中下：原始和去背景钙成像。右下：鼻子位置和运动速度，自我梳理期以蓝色标示。比例尺，500 μm。

补充视频16（下载MP4）

通过Airscope对自由活动动物进行神经和第一人称视角同步记录。左上：在场地探索期间，由Airscope改装的头戴式相机记录的自中心视觉输入。

中上：配备Airscope的小鼠在带有四个视觉墙线索的60 cm圆形场地中探索，展示原始视频和SAM2Mice分割结果。右上：神经活动在3D潜在空间中的CEBRA嵌入，按视觉线索进行颜色编码。

左下：原始和去背景钙成像。中下：多区域神经活动热图及代表性轨迹。右下：随时间变化的CEBRA潜在轨迹动态，颜色表示相应的视觉线索。