当小鼠探索陌生环境、与同伴互动或参与竞争时，大脑如何协调不同脑区、成千上万个神经元的活动，是神经科学希望回答的核心问题之一。然而，能够在较大范围内分辨单个神经元的显微镜，往往需要固定动物头部或连接线缆；能够随动物自由活动的头戴式微型显微镜，视场通常不足1毫米，难以兼顾观测范围与成像精度。

2026年10月19日，清华大学戴琼海/吴嘉敏/张元龙团队与解放军总医院戴朴团队合作，在Nature发表研究论文Cortex-wide imaging in naturally behaving mice with 1-gram wireless mesoscopes，报道了全球首个突破百万像素的无线介观显微镜Airscope。该设备（不含电池）仅重1克，可在6毫米视场内以单细胞分辨率记录小鼠大脑皮层神经活动，单只小鼠可同时记录8500多个神经元，约为现有无线成像设备的25倍。

图1：2.3米×2.3米自然化栖息地的多角度视频，3只佩戴Airscope的小鼠在其中自由活动并被同步记录

为让显微镜既“看得广、看得清”，又“戴得轻、不拴线”，团队对光学、照明、电子与无线传输进行了系统协同设计。光学系统仅用4片非球面镜片，即在6毫米视场内实现4—6微米的单细胞分辨率，光学总长较以往微型显微镜缩短约65%，是目前已发表的介观显微镜中尺寸最小、重量最轻的设备。Airscope采用200万像素图像传感器，并在传感器端将数据压缩约25倍，使百万像素级图像得以无线传输；整机比最新的头戴式介观显微镜轻30%以上，磁吸式快换电池可在2秒内完成更换。佩戴Airscope的小鼠能够爬绳、钻管，其运动距离、速度和路径曲折度与未佩戴设备的小鼠无显著差异。

与常规台式宏观显微镜相比，Airscope体积缩小近五个数量级，记录到的神经元信号质量与之相当。结合团队此前开发的DeepWonder神经元提取算法，Airscope在单只小鼠单侧大脑半球的14个皮层脑区中同时记录到8500多个神经元；团队将其与双光子显微镜进行交替、近同步比对，验证了信号的可靠性，同一部位的长期记录时间跨度可超过200天。

为在多只小鼠同时活动、相互接触时准确区分并追踪每个个体，团队基于视觉基础模型SAM2开发了多动物分割与追踪工具SAM2Mice，在新的实验场景中无需重新标注、训练即可使用。在5只小鼠的追踪任务中，其多目标追踪准确度（MOTA）达0.958，处理速度约为专家人工标注的2400倍。5只小鼠在直径60厘米的场地中同时佩戴Airscope自由互动时，共记录到2万多个神经元。

图2：5只小鼠同时佩戴Airscope自由互动，共记录到2万多个皮层神经元

标准实验笼难以让小鼠充分展现长距离探索等自然行为。为此，团队搭建了2.3米×2.3米的自然化栖息地，设置隐蔽所、坡道、树洞等多种地形结构。小鼠在栖息地中的运动速度是在笼内的两倍多，并表现出攀爬、上下台阶、进洞等16类行为；仅凭皮层神经活动，分类模型即可判断小鼠所处的地形区域，准确度远高于随机水平。团队已将这一“栖息地—神经活动”数据集开源，这是同类首个公开数据集。

在经典的“钻管测试”中，两只小鼠在狭窄管道中相遇、推挤，直到一方退出。借助Airscope，研究人员能够同时记录对峙双方的数千个皮层神经元。团队建立的双流Transformer深度学习模型仅根据两只小鼠的皮层活动即可预测竞争胜负，准确率达81.8%，明显高于随机猜测的50%；即使排除已测量的运动与行为变量的影响，预测能力仍未下降。

图3：钻管测试中，两只佩戴Airscope的小鼠相遇、推挤，双方的皮层活动被同步记录

在一座有32个末端的二叉树迷宫中，团队发现皮层群体活动中的一个潜在状态与获得奖励的时刻对齐，奖励位置改变后这种对应关系随之减弱。团队还将两台Airscope分别佩戴在小鼠头部和背部，在自由活动状态下对大脑皮层与脊髓同步成像，可同时记录单侧大脑半球约4000个皮层神经元和两个脊髓节段的群体神经活动；在恐惧条件反射试次中，脊髓神经活动在时间上主要领先于皮层活动。

图4：两台Airscope分别佩戴于小鼠头部和背部，同步成像大脑皮层与脊髓血管

Airscope将大视场、单细胞分辨率与轻量化无线成像结合在一起，使研究人员能够在更接近自然的条件下观察大规模神经活动，为研究自然行为与社会互动的神经机制、相关脑疾病研究以及光学脑机接口技术的发展提供了新的研究工具。

清华大学生命学院、IDG/麦戈文脑科学研究院助理教授张元龙，复旦大学未来信息创新学院、中关村学院博士生李昂然，普林斯顿大学电子与计算机工程系博士生袁乐康，东北大学未来技术学院王鸣瑞副教授，解放军总医院第六医学中心赵伟豪博士为论文共同第一作者；清华大学自动化系吴嘉敏副教授、解放军总医院戴朴教授、清华大学自动化系戴琼海教授为论文共同通讯作者。该研究得到国家和北京市自然科学基金、新基石科学基金会“科学探索奖”、膜生物学国家重点实验室和北京信息科学与技术国家研究中心的支持。

论文链接：https://www.nature.com/articles/s41586-026-11293-x

数据集链接：https://doi.org/10.6084/m9.figshare.33942097

代码链接（Airscope工具箱）：https://doi.org/10.6084/m9.figshare.33942148