近日，北大-清华生命科学联合中心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。
北京大学谢冕、马敬怡为论文共同第一作者。哈尔滨工业大学Wenhao Liu、中国科学院长春光机所Qiang Fu、北京大学郭长亮和北京大学、北大-清华生命科学联合中心陈良怡为共同通讯作者。研究由北京大学、清华大学、哈尔滨工业大学和中国科学院长春光机所等单位合作完成。
原文链接：
https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.aei8743
开源仓库：
https://github.com/ChangliangGuo2/MIMAS
