Science Advances｜MIMAS以开放式大视场微型成像为VITAL建立自然行为测量接口
信息来源：陈良怡教授团队
近日，北京大学国家生物医学成像科学中心陈良怡教授、郭长亮副研究员团队与合作者在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”。研究提出微型集成微透镜阵列系统MIMAS，以一组微透镜承担分区成像，再通过计算配准与拼接重建大视场，在2.31克头戴设备中实现约4 × 4.5平方毫米的背侧皮层细胞级荧光成像。硬件设计、软件、数据和搭建资料同步开放。
图1 MIMAS系统爆炸图
把复杂度从精密镜组转向模块化测量
大视场微型显微镜通常需要多片光学元件、定制像差校正和精密装调。MIMAS采用4 × 5微透镜阵列作为唯一成像元件。当前系统使用中央16个通道，每个微透镜独立采集一个子视野；算法完成旋转、配准、拼接和重叠区域融合，并在神经元提取后依据空间距离与时间相关性去除跨视野重复细胞。
图2 MIMAS采集图像的后处理流程
这种设计并非简单减少镜片，而是改变大视场成像的实现方式。各子视野保持相近成像质量，系统再以可记录、可检查的计算步骤组合完整视野。分辨率测试显示，各子视野中心达到5.92至8.88微米的空间分辨率。30分钟开放场实验中，三只小鼠佩戴设备前后未检测到总运动距离、中心区域停留时间、平均速度或最大速度的显著差异。
图3 通过4 um 荧光微珠展示系统分辨率
大范围观测让跨区域状态成为可测变量
在稀疏标记的皮层二三层神经元中，研究团队从三只小鼠获得3652个经质量控制和跨视野去重的神经元，覆盖运动、躯体感觉、视觉和压后皮层等多个背侧皮层区域。数据揭示了与跑动状态相关的增强和抑制群体，并在两只小鼠中识别出108个位置调制神经元。研究还在独立的头固定实验中，利用大视场血管成像比较不同管径血管对异氟烷的反应，发现较大血管到达扩张平台更慢，较小血管的相对扩张更明显。
图4 与小鼠运动速度相关神经元在背侧皮层中的分布
图5 异氟烷暴露时不同管径血管的直径变化
这些结果首先证明了平台的测量能力。当前神经和血管实验分别完成，神经元标记较为稀疏，图像重建仍在线下进行。MIMAS因此是一种开放的大视场细胞成像架构，而不是已经完成的同步神经血管或深层全脑成像系统。
与微型多光子形成互补的设施能力
2017年，相关团队研制FHIRM-TPM，在自由行为小鼠中实现树突棘级双光子成像；2021年，第二代系统进一步整合更大视野、180微米轴向扫描和长期重复观测。微型双光子重点推进局部精细度、深度和三维能力，MIMAS则以单光子微透镜阵列获得更广的皮层覆盖、更简单的装调和更低的复制门槛。
对国家生物医学成像科学中心而言，两条路线共同构成从局部亚细胞活动到跨区域群体动态的互补观测能力。中心的价值不止在于拥有不同设备，更在于把成像硬件、行为记录、数据处理、空间配准和定量验证组织为能够跨尺度连接的测量链。
从开放仪器走向VITAL的验证接口
VITAL所推动的可验证数字生命，需要模型对未来状态或扰动响应作出预先声明，并以新实验检验。MIMAS可以在其中承担神经系统的一类证据接口：在自然行为中记录跨区域细胞群体状态，在药理或生理扰动下重复测量，并把原始数据、重建步骤和质量控制一并保留。
开放源代码和硬件设计在这里具有方法学意义。只有当同一测量能够被不同实验室部署、比较并暴露失败条件，数据才能进一步成为模型训练、跨中心验证和前瞻检验的共同基础。未来，MIMAS可与微型双光子、三光子、行为解析、电生理及血流代谢成像协同，为神经系统数字生命模型提供广域与局部、表层与深层相互校验的动态证据。
清华大学PTN项目谢冕、北京大学马敬怡为论文共同第一作者。哈尔滨工业大学刘文灏、中国科学院长春光机所付强、北京大学郭长亮和陈良怡为共同通讯作者。该工作得到国家科技重大专项、国家重点研发计划、国家自然科学基金及相关实验室项目支持。