近日，北大-清华开云手机网页登录页面陈良怡团队与合作者在Science Advances发表研究论文“MIMAS: An open-source microlens-array miniature microscope for accessible large-field cortical imaging in freely behaving mice”。研究开发了开放源代码的微型集成微透镜阵列系统MIMAS，在自由行为小鼠中实现约4 × 4.5平方毫米视野的细胞级背侧皮层荧光成像。

理解自然行为如何由分布式脑活动产生，需要同时记录多个皮层区域的神经元。台式显微镜往往要求动物头部固定；头戴式显微镜虽然允许自由活动，却必须在视野、分辨率、重量和光学复杂度之间取舍。MIMAS用4 × 5微透镜阵列作为唯一成像元件，让不同微透镜分别获取子视野，再通过计算配准、拼接和细胞去重恢复完整图像。这一设计使系统重量控制在2.31克，并减少了大视场成像对复杂镜组和精密装调的依赖。

在30分钟开放场实验中，三只小鼠佩戴MIMAS前后，运动距离、中心停留时间、平均速度和最大速度均未检测到显著变化。研究团队在稀疏标记的皮层二三层神经元中，从三只小鼠提取出3652个经质量控制和跨视野去重的神经元。活动与行为对齐后，记录中出现跑动时增强或受抑制的神经元群体；以速度标签监督的低维嵌入呈现连续结构，而打乱标签后该结构消失。

研究还从两只小鼠的2904个神经元中识别出108个位置调制细胞。部分细胞围绕单一位置表现出增强活动，另一些则对应多个空间热点。这些细胞跨多个背侧皮层区域分布，提示空间变量的皮层表征需要放在分布式网络中研究。该结果目前来自有限样本，主要用于证明MIMAS能够支持跨区域、行为关联的细胞群体分析。

除了神经活动，MIMAS还在独立的头固定实验中用于观察皮层血管。异氟烷暴露后，不同基础管径的血管表现出不同动力学：较大血管到达扩张平台更慢，较小血管的相对扩张幅度更大。神经和血管成像在本研究中分别进行，这为未来整合神经活动、血流和行为提供了明确的技术方向。

这一工作延续了团队对自由行为脑成像的长期探索。2017年，团队参与研制的FHIRM-TPM首次在自由行为小鼠中实现树突棘级双光子成像；2021年，第二代系统进一步加入更大视野、多平面和长期重复观测。MIMAS选择互补的设计目标：双光子系统提供局部、精细和三维观测，MIMAS提供广域、跨区域且易于部署的细胞级记录。

这种互补关系也连接到数字生命。神经系统模型不仅需要解剖连接或静态表达图谱，还需要自然行为中跨区域状态随时间变化的数据，并用新行为和新扰动检验预测。MIMAS开放硬件、软件和代表性数据，为不同实验室复现实验、比较结果和建立可验证模型提供了共同入口。

邮箱：

lychen@pku.edu.cn

实验室主页：

https://future.pku.edu.cn/szll/jyxln/fdfa12aee3114cfb900eee83f73e3f3b.htm

研究方向： 

主要研究方向是糖尿病发病过程中胰岛素分泌异常机制，发明了一系列的高时空分辨率生物医学成像的可视化手段，其主要科研发明及成就有：1）高分辨率微型化双光子显微镜，首次在自由行为小鼠上观察到单个神经突触的形态和功能变化，被2014年诺贝尔医学奖获得者Edvard Moser教授认为是“革命性”的新工具，工作入选了“2017年中国科学十大进展”等，也入选“Nature Methods: Method of the Year 2018”；2) 首次提出结构光显微镜在低信噪比时存在重建伪影的本质，发明海森结构光超分辨率显微镜，在光毒性最大降低了三个数量级下实现高保真度超分辨率成像，看见活细胞内线粒体内嵴以及胰岛素囊泡融合孔道，入选 “2018年中国光学十大进展”；3)活细胞双模态超分辨率显微镜，观察到细胞器互作全景图和新细胞器黑色液泡小体；4）提出活细胞超分辨率病理学的概念，利用活细胞超分辨率成像预测佩梅病临床疾病表型以及筛选出精准对症药物： 5）提出荧光信号具备稀疏和连续的通用先验，发明基于新数学原理的荧光计算超分辨率成像，与基于特定物理原理或者特殊荧光探针的传统超分辨率方法都不相同，实现活细胞成像中分辨率最高（60nm）、速度最快（564Hz）、成像时间最长（>1小时），获得“2021年度中国光学领域十大社会影响力事件（Light10）”和“首届全国颠覆性技术创新大赛”总决赛最高优胜奖。