神经血管耦合（Neurovascular Coupling, NVC）是大脑神经活动对局部血流、血氧动态调节的一种功能机制，也是脑机接口功能成像神经活动的核心目标。当神经元活跃时，其代谢需求增加，邻近血管通过扩张和血氧调节进行快速响应，从而保障大脑神经活动能量供应。这一机制是维持大脑正常功能的基础，也是非侵入脑机接口获取大脑信息的关键。然而，传统技术难以实现大脑神经元和脑血流在体同步高时空分辨监测，无法精准获得神经元活动与附近血流、血氧动态信息的关联；且大多数研究局限于头部固定成像，无法真实反映自然行为状态下的神经血管耦合功能。

　　近日，中国科学院深圳先进技术研究院医学成像全国重点实验室郑海荣院士、刘成波研究员和郑炜研究员团队，开发了一款重量1.7克的头戴式成像显微镜，实现了自由活动小鼠神经元活动与血氧代谢的同步高时空分辨成像，为大脑神经血管耦合机制探索和脑机接口技术开发提供了新思路。研究成果以"Simultaneous head-mounted imaging of neural and hemodynamic activities at high spatiotemporal resolution in freely behaving mice"为题发表于Science Advances期刊。该工作得到了中国科学院先导B专项（XDB0930000）以及医学成像科学与技术系统全国重点实验室资助，为先导B专项开展后续工作提供了关键技术。论文第一作者分别是陈宁波助理研究员、徐智强副研究员、宋政博士后和廖九零副研究员。合作团队包括中国科学院深圳先进技术研究院朱英杰研究员团队、香港理工大学赖溥祥教授团队、香港大学Kenneth K. Y. Wong教授团队。

　　研究团队通过微型化设计实现了共聚焦荧光显微镜（CFM）和光声显微镜（PAM）的高效整合与同步，构建了重量仅1.7克的双模态成像探头，可在自由活动小鼠实现高时空分辨率的神经血管同步成像。成像分辨率达到1.5微米，成像速度为0.78 Hz，视野范围400微米×400微米。通过系统硬件与算法创新，实现了大脑血氧代谢成像，并同步记录神经元钙信号活动。

　　（A）头戴式光声/荧光双模态成像平台；（B）双模态激发与发射光谱；（C）微型化成像探头设计；（D）小鼠头戴式自由活动；（E）成像视场标定，标尺：50 μm；（F-G）分辨率标定，标尺：40 μm。

　　该项研究首次实现了对自由活动小鼠大脑神经元活动与血液动力学的同步高时空分辨成像，为解析神经血管耦合机制和开发新一代脑机接口技术提供了新思路。

　　未来研究可以在成像技术和脑机接口应用两个层面继续推进。在成像技术方面，将继续优化头戴式显微镜的性能，进一步扩大成像视场，提高成像景深和速度，并探索融合多光子荧光显微成像等其它模态，以满足更广泛的研究需求。在脑机接口应用方面，可探索头戴成像技术应用于灵长类动物脑功能信息非侵入读取，利用神经血管耦合机制精准解析大脑功能活动，为阿尔茨海默病、卒中等脑疾病开发新的治疗策略和干预措施提供科学依据。

　　文章链接：https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.adu1153