突破性直播！港科大用激光技术捕捉神经元活动，颠覆你的认知！

在神经科学的浩瀚宇宙中，每一次技术的突破都如同璀璨星辰，照亮我们探索大脑奥秘的征程。近日，香港科技大学（HKUST）工程学院研究小组的一项壮举，宛如一颗超级新星爆发，震惊了整个科学界——他们创造了世界上第一种在不麻醉的情况下拍摄清醒小鼠大脑高分辨率图像的技术，首次实现了对清醒大脑的“直播”式观察，为神经科学研究开辟了全新的天地。

传统困局：成像工具的“力不从心”

长久以来，科学家们就像一群执着的探险家，试图揭开大脑这个神秘“黑箱”的秘密。MRI、EEG、CT和PET扫描等成像工具，如同他们手中的普通地图，虽能提供有价值的数据，却难以精准捕捉大脑微观结构和快速活动的“宝藏”。

小鼠，因其与人类遗传的相似性，成为了研究神经系统疾病、癌症和疫苗的理想“模特”。然而，实验过程中却面临着两大难题。一方面，常用的麻醉手段就像一个无形的“魔法”，会悄然改变大脑活动和血液循环，让研究结果偏离真实轨道；另一方面，清醒小鼠的自然运动又如同调皮的精灵，使图像变得模糊不清，让科学家们难以看清大脑精细结构的“真容”。

破局之钥：MD - FSS新型成像系统的诞生

就在大家陷入困境之时，香港科技大学电子与计算机工程系屈建安教授带领的团队，如同救世主一般，带来了名为多路数字焦点传感和整形（MD - FSS）的新型成像系统。

这项技术并非凭空而来，它建立在屈教授早期模拟锁定相位检测焦点传感和整形（ALPHA - FSS）工作的基础上。2022年，ALPHA - FSS在《自然生物技术》上发表，实现了亚细胞成像的准确性，但它就像一个慢吞吞的乌龟，无法捕捉清醒动物的动态大脑活动。

而MD - FSS则像是一辆超级跑车，加速前行。头骨的厚度和密度带来的光线散射、图像质量降低等问题，曾像一道道坚固的城墙，阻挡着科学家前进的步伐。但MD - FSS通过加快点扩散函数（PSF）测量的速度，成功突破了这些限制。它使用多个弱激光束和一个强主光束，每个波束都携带独特的空间数据，并在不同频率下工作。通过数字相位解调这一神奇的方法，就像给信号装上了“清洁器”，将弱信号与噪声背景分离，在不到0.1秒的时间内捕获PSF数据，速度比早期技术快了十倍。最终，它为我们呈现出清晰、详细的图像，让我们能够实时跟踪大脑活动，仿佛给大脑装上了一个“高清摄像头”。

清晰、快速、深入：大脑成像的新境界

MD - FSS的神奇之处还不止于此。当它与多光子显微镜相结合，便诞生了自适应光学三光子显微镜这一“超级武器”。这个新装置就像一个无所不能的“大脑侦探”，可以跟踪免疫细胞运动，测量微小脑血管中的血流，在思考和感知过程中监测神经元活动，甚至能捕捉脑细胞和血管如何相互作用。

屈建安教授激动地说：“以前不可能在清醒的动物身上进行如此详细、近乎无创和实时的观察。借助这种新型自适应光学技术的快速像差校正能力，现在可以在不损伤受试者大脑的情况下实现高质量的成像。”他还补充道：“我们现在可以在自然生理状态下以亚细胞分辨率捕捉神经元、神经胶质和血管动力学，而不受麻醉的混淆影响。这一突破为理解健康和疾病中的大脑功能开辟了全新的途径。”

与EEG或CT扫描相比，这种成像能力的清晰度简直有了质的飞跃，清晰数百甚至数千倍。它让我们能够像用显微镜观察微观世界一样，非常清晰地看到单个神经元、免疫细胞和最小的毛细血管，仿佛打开了一扇通往大脑微观世界的“天窗”。

面向未来：可扩展设计的无限可能

MD - FSS平台的可扩展性，更是为神经科学的未来发展埋下了无限可能。目前的版本使用八束激光，但就像一个可以不断升级的“超级电脑”，它可以扩展到几十束甚至几百束。这种可扩展性不仅能够使成像速度更快，还能让科学家随着光学技术的发展探索大脑的更大区域。

屈教授满怀信心地说：“我们的最新工作不仅仅是一个渐进式的改进。我们现在有一个多功能平台，可以扩展到更快的成像，扩展到更大的大脑区域，并与功能检测相结合。”他还展望道：“这将使神经科学家能够以以前技术上无法实现的方式研究快速的大脑事件、复杂的网络相互作用和疾病进展，为学习、记忆、心理健康和神经系统疾病方面的变革性发现打开大门。”

这项研究结果发表在《自然通讯》杂志上，它不仅是港科大研究团队的骄傲，更是整个神经科学领域的重大突破。它让我们离揭开大脑的神秘面纱又近了一步，也为未来治疗各种神经系统疾病带来了新的希望。相信在不久的将来，随着这项技术的不断发展和应用，我们将对大脑这个神奇的器官有更深入的了解，为人类的健康和福祉做出更大的贡献。

参考文献：

[1]World-first laser system captures high-res awake mouse brain activity 10x faster;

[2] Nat Commun:为什么睡眠时大脑修复方式不同?香港科技大学瞿佳男团队揭示小胶质细胞功能差异机制;
[3 Nat Commun丨瞿佳男实验室报道用于清醒行为小鼠深部活体脑成像的快速自适应光学技术;
[4] Nat Commun:瞿佳男团队报道用于清醒小鼠深部活体脑成像的快速自适应光学技术.