A structured-illumination miniscope for optically sectioned imaging and real-time neural decoding

想象一下，在嘈杂拥挤的音乐厅中心，试图去聆听一位小提琴手演奏优美的独奏。这正是科学家们想要观察动物在奔跑、跳跃或探索时，单个脑细胞如何相互“交谈”时所面临的日常困境。多年来，他们一直使用绑在小鼠头部的微型、轻量化显微镜来完成这项工作。这些设备就像微型摄像机，可以捕捉到神经元放电时发出的闪烁信号。然而，这里存在一个重大问题：这些摄像机看到的不仅是它们正对的目标，而是前方所有的景象。这就像试图拍下一张体育场内特定一排座位的清晰照片，但摄像机同时也捕捉到了上方和下方模糊且发光的观众群体。这种“失焦”产生的光晕会冲淡细节，让人很难分辨出究竟是哪个神经元在进行活动。虽然存在一些功能强大且昂贵的显微镜可以通过特殊激光来忽略这些模糊层，但它们太重也太复杂，无法绑在奔跑的小鼠头上。因此，科学家们陷入了两难境地：要么使用笨重的机器获得清晰图像，要么使用轻便的摄像机却只能看到一片模糊的景象。

本文介绍了一种巧妙的轻量化解决方案，它充当了这些微型摄像机的“智能过滤器”。研究人员开发了一种新型微型显微镜（miniscope），其重量不到3克（大约相当于一节AA电池），并使用了一种被称为“结构光照明”（structured illumination）的技术。你可以把它想象成通过栅栏向墙上照射手电筒。如果你用普通光照射，你会看到整面墙；但如果你通过栅栏照射，你会看到条纹。这款新设备中的智能相机拍摄两张快速快照：一张是普通光下的图像，另一张是带有“条纹”的光下的图像。通过对比这两张图片，计算机可以从数学上计算出图像中哪些部分是清晰聚焦的（条纹清晰），哪些部分是模糊的背景噪声（条纹被冲淡）。然后，它会减去模糊的部分，留下纯净、清晰的目标神经元图像。这使得小鼠可以自由奔跑，同时科学家也能获得高质量、清晰的数据，而无需依赖沉重且昂贵的设备。

脑部摄像机的“智能过滤器”

由中国脑科学研究中心和北京师范大学研究人员领导的团队创造了这款新设备，旨在解决“背景模糊”问题。他们将其称为 HiLo 微型显微镜。这个名字源于它所使用的技术：高频与低频光处理（High-frequency and Low-frequency light processing）。

以下是其工作原理的通俗解释：
该设备使用两个微小的蓝色 LED（光源）。一个投射均匀的普通光到大脑上；另一个通过一个简单的网格（称为 Ronchi 光栅）投射光线，从而在脑部产生条纹图案。相机捕捉一张均匀光下的照片，再捕捉一张条纹光下的照片，且动作极快——每秒进行30次。

因为摄像机聚焦的神经元非常清晰，所以条纹在它们身上看起来很锐利。但背景中那些失焦的细胞并不显示清晰的条纹，看起来只是模糊的光晕。计算机观察这两张照片并判断：“好的，看起来像条纹的部分是真实的信号；看起来像模糊光晕的部分只是背景噪声。”随后，它丢弃模糊的光晕，保留清晰的信号。结果是，得到的脑部视频比标准摄像机更清晰，对比度也更高。

研究发现：更清晰的信号，更多的神经元

研究人员通过多种方式测试了这种新型显微镜，以验证其是否真的有效。

1. 它能清理噪声：
首先，他们观察了小鼠的脑切片。与标准的宽场成像相比，新型 HiLo 显微镜生成的图像显著减少了“模糊光晕”。神经元在黑暗的背景下清晰可见。

2. 它适用于奔跑的小鼠：
接着，他们将设备绑在小鼠头上并观察它们奔跑。他们记录了海马体（大脑中负责记忆和导航的部分）的活动。

• 结果： 单个神经元的信号更加纯净。当他们查看数据时，发现 HiLo 显微镜的“信噪比”（即真实脑活动与背景噪声的比值）明显优于标准显微镜。
• 酷炫之处： 通常，为了从标准显微镜中获得清晰数据，科学家必须在实验结束后使用复杂的计算机程序进行“解混”（demix）。这需要大量的时间和计算能力。研究人员发现，使用 HiLo 显微镜，他们只需对神经元区域的像素取一个简单的平均值，就能达到几乎与标准显微镜经过复杂计算机校正后的数据相当的效果。这意味着他们可以“实时”获得高质量数据，而无需等待缓慢的计算机后期处理。

3. 它能观察更多层级：
该显微镜还配备了一个可以快速改变焦距的特殊液态透镜。团队利用这一点，可以在两个不同的脑部深度之间快速切换，每秒切换2.5次。

• 结果： 这使他们能够同时观察更多的神经元。他们发现，通过观察两个不同的层级，他们可以研究更大规模的神经元群体，且两个层级的信号依然清晰可靠。

4. 它有助于解码小鼠的位置：
由于信号非常清晰，研究人员仅通过观察脑部活动就能判断小鼠在房间里的位置。

• 结果： 当他们使用简单的 HiLo 信号来预测小鼠位置时，其准确度远高于使用标准宽场信号。事实上，简单的 HiLo 信号几乎可以媲美标准显微镜经过复杂计算机校正后的信号。这证明了“智能过滤器”在记录瞬间就捕捉到了重要的信息。

“思维控制”测试：闭环脑机接口

这项研究中最令人兴奋的部分是一个“原理验证”测试，旨在观察这项技术是否可以用于脑机接口（BMI）。这是一种大脑可以实时控制机器的系统。

设置：
他们让一只处于固定头部位置的小鼠闻到一种气味。当小鼠的脑部活动匹配特定的模式（例如“我闻到了这个”的信号）时，计算机立即给予小鼠一滴甜水作为奖励。

挑战：
为了实现这一目标，计算机必须读取脑信号，判断其是否匹配模式，并立即发放奖励。如果信号模糊或者计算机处理得太慢，系统就会失败。

结果：
使用 HiLo 显微镜，系统运行完美。由于显微镜能提供即时的清晰信号，计算机可以实时检测到“气味模式”并触发奖励。小鼠学会了控制这个系统；它们可以通过调节自己的脑部活动来获得更多奖励。这表明 HiLo 显微镜足够快、足够清晰，可以用于需要实时反馈的实验，即大脑与机器进行对话并立即获得反馈。

为什么这很重要

本文并不声称发明了一根能解决所有神经科学问题的“魔杖”。作者谨慎地指出，他们的设备观察大脑深度的能力不及沉重且昂贵的双光子显微镜，且在分离重叠神经元方面也不如最先进的计算机算法那样完美。

然而，他们展示了结构光照明是一种实用、易得且高效的方法，可以提升自由活动动物脑部成像的质量。通过在计算机看到图像之前就对其进行“清洗”，他们实现了在无需沉重设备或缓慢复杂处理的情况下获取高质量数据。这为需要快速实时反馈的实验打开了大门，帮助我们在动物实际进行活动（而非仅仅静止不动）时，理解大脑是如何运作的。

简而言之，他们制造了一个微小的、智能的摄像机，能够过滤掉噪音，让科学家即使在“音乐厅”的喧闹中心，也能清晰地听到那位“小提琴手”的声音。