港科大学者开发新脑成像技术，不用麻醉也能观察生物大脑活动

11月10日。香港科技大学（下称“港科大”）宣布，该校工学院研究团队在脑成像领域取得重大突破，成功开发出一项全球首创技术，能够以近乎无创方式，对清醒状态下的实验小鼠大脑进行高分辨率图像扫描。这项创新技术无需对实验动物实施麻醉，让科学家能直接观察大脑在自然运作状态下的组织活动，将有助于研究人类大脑的快速活动、复杂的网络互动，以及疾病演化，为学习、记忆、精神健康和神经疾病等领域开启知识大门。

人类大脑构造极其复杂，科学家一直试图利用脑成像技术探索其运作机制。然而，现有成像技术如磁力共振成像、脑电图、计算机断层扫描和正电子发射断层扫描等，均难以解析大脑微细结构及工作机制。

由于小鼠在基因和生理结构上与人类高度相似，常被用作实验模型，用于研究阿尔茨海默病、亨廷顿舞蹈症、脑痫症（癫痫）等神经系统疾病的治疗方法，以及多种人类癌症疗法和疫苗效用等。然而，在麻醉状况下，小鼠的血液循环、胶质细胞形态及神经元活动会发生显著改变，实验效果远不如清醒状况理想。此外，小鼠在自然活动时亦会导致扫描图像模糊，让观察大脑细微部位的活动变得十分困难。

瞿佳男教授（左）与论文共同第一作者、电子及计算机工程学系博士生傅奕铭（中）及佘镇涛（右）合照。

由港科大工学院电子及计算机工程学系教授瞿佳男带领团队开发的新技术“数字复用焦点感测与整形”（简称MD-FSS），是基于团队2022年在《自然–生物技术》期刊发表的“类比锁相相位检测焦点感测与整形”技术进一步开发而成。

MD-FSS技术显著提升了点扩散函数（即物体面点光源在光学系统成像下的三维光场分布）的测量速度，能引导多束空间分离的弱激光与强激光在大脑中同步运作，产生非线性干涉效应。每束激光均以特定频率编码，并载有独特的空间讯息。团队采用先进的“数位相位解调”技术，能够从高噪声背景中精确提取微弱讯号，实现并行译码。这种方法能将测量时间缩短至0.1秒以内，速度较原有技术提升十倍以上，并可实时追踪大脑动态，提供更清晰、更精确的图像。

“自适应光学多光子显微技术”可穿过颅骨进行活体成像。图为小鼠大脑神经网络的高清晰成像。

多光子显微镜的分辨率较现有脑电图、计算机断层扫描等成像方法高出数百至数千倍，能够清晰观测单个神经元、免疫细胞乃至最微细的毛细血管结构及其功能。为此，团队将MD-FSS技术与多光子显微镜相结合，构建出“自适应光学多光子显微技术”，实现了对大脑活动的多功能动态观测。该技术可追踪小鼠大脑免疫细胞的功能变化、测量毛细血管中的血液流动速度、观察神经细胞在思维和感知处理过程中的活动状态，并监测脑细胞与血管之间的相互作用。

上排右图采用“自适应光学多光子显微技术”来对清醒小鼠的大脑小胶质细胞进行高分辨率成像。下排左图显示了新技术可捕捉小鼠清醒状态下的小胶质细胞活动情况。

瞿佳男表示，这种对清醒实验动物的高分辨率、近乎无创的实时观测，在过去因技术限制一直未能实现。新技术具备快速校正像差的能力，不仅可实现高质量成像，不会对实验小鼠的脑组织造成损伤。

目前，该研究结果已于国际期刊《自然通讯》发表。

南方+记者 陈彧

【作者】 陈彧

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