用微型相机阵列在自由活动的小鼠大脑中观察细胞活动

为理解大脑中多个区域的神经元活动如何协调以调控复杂行为，需要记录自由活动动物大脑中分布式神经元群的活动。然而，现有成像技术存在局限：传统大视野成像设备在头部固定状态下虽能工作，但体积和重量会随视野增大而急剧增加，难以微型化以适应自由活动动物；目前优化的微型成像设备视野仍小于4毫米，无法研究全皮层活动的整体协调机制。

本研究通过两项创新解决了这一问题。首先，研发了多平面刻面颅骨窗口，该窗口能提供52平方毫米的皮层光学通路，同时将皮层表面分割为4个独立的平面区域，便于单光子成像光学系统观察。这种窗口可长期植入，持续提供清晰的光学视野。其次，开发了配套的微型相机阵列显微镜（mini-MCAM），由4个微型相机组成，每个相机均配备CMOS传感器、微型成像镜头、光学滤镜和照明光源，能同时采集图像。尽管mini-MCAM的总理论视野达45.9平方毫米，但实验中配置为对小鼠背侧皮层约32平方毫米区域成像，覆盖双侧大脑的初级/次级运动皮层、躯体感觉皮层、视觉皮层、 retrosplenial皮层及联合皮层等多个区域。

光学性能测试显示，mini-MCAM的分辨率达9.9微米，照明均匀，4个相机间同步良好。在体成像实验中，头部固定小鼠在跑步机上运动时，每个视野可记录数百个神经元的钙活动，其自发活动呈现高度同步性，可能与运动行为相关。自由活动小鼠在线性轨道中探索时，所有视野共记录到492个神经元，运动开始时会引发全皮层范围的神经元广泛激活，与先前研究结果一致，证实了mini-MCAM在复杂行为中研究大规模神经活动的能力。

该研究为神经科学提供了新工具，首次在自由活动小鼠中实现全皮层细胞分辨率钙成像。其灵活设计可调整相机布局以观察其他脑区（如小脑），或与其他成像方式（如梯度折射率透镜深脑成像）结合，未来有望通过优化钙指示剂和传感器灵敏度进一步提升性能。