一枚回形针，重约一克。如今，这也是一台能够以单细胞分辨率观察哺乳动物大脑皮层的显微镜的重量。
10月19日，清华大学戴琼海院士团队联合解放军总医院戴朴教授团队等，在国际学术期刊《自然》在线发表了关于无线介观显微镜 Airscope 的研究：这台设备仅重1克，却能在6毫米视场内以约4微米的分辨率记录小鼠大脑皮层的神经活动，单只小鼠单侧大脑半球14个皮层脑区中可同时记录8500多个神经元——是此前无线成像设备的25倍。
所谓“介观”，顾名思义，即介于宏观与微观之间：既能覆盖大范围脑区，又能分辨其中的单个细胞。而“无线”与“自然行为”，也是这台显微镜的重大创新所在。理解全脑神经元如何集体产生感知、认知与智能，需要在单神经元分辨率下观察神经回路，且必须在动物与其环境及同类互动的自然状态下进行。这台无线介观显微镜让大规模神经观测能够跟随动物走出头固定架和线缆，进入5平方米的自然化栖息地。
日前，澎湃科技采访了该项目的具体负责人——清华大学生命科学学院助理教授张元龙，讲述了这台世界上最轻的无线介观显微镜诞生的全过程。
从立项到投稿，这个项目走了两年半：2023年初启动，2025年9月投出。但它的源头，要追溯到2013年启动把一台“屋子那么大”的显微镜做成世界通量之最的国家重大仪器专项。
搭载了 Airscope的小鼠。受访者供图。
一个横亘十年的“鸿沟”：7000万与百万
小鼠的大脑约有7000万个神经元，而过去十多年，人类最好的成像技术同时能看到的也只是十万到百万量级——“只有很小一部分能够被看到，所以这个鸿沟是比较大的。”
造成鸿沟的原因，是光学成像领域三对长期无解的矛盾：视场与分辨率的矛盾，看得越大，就看不清细节；活体深度与散射的矛盾，脑组织致密，深层信号像隔着一层浓雾；以及二维传感器与三维分布的矛盾——无论手机还是单反，传感器都是平面的，而神经元在三维空间中密布。
2013年，张元龙的导师、清华大学教授戴琼海承接国家重大科研仪器研制专项，目标是把“视场×分辨率”——光学上称为“通量”，做到世界最大。“虽然我们做成了，但代价也比较明显：整个显微镜大概有一间屋子那么大。”张元龙说。
此后，团队一直在努力缩减它的尺寸，但台式显微镜最终的重量基本都在50-100千克，“动物必须固定在显微镜下”，张元龙介绍说，按照团队的伦理审批，单次头部固定一般不超过4小时，“固定本身就会给动物带来明显的应激，时间长了状态会变差，这会直接影响实验结果。”而动物的社交、学习、场景内导航这些自然过程，恰恰无法在被固定的状态下发生，“每天把动物抓到镜头前拍一次，外部引入的刺激本身就会扭曲结论。”张元龙说，近年来学界也提出了“自然神经科学”的概念：要原汁原味地观测动物的生理与病理状态，就得换一条技术路线。
张元龙从2019年就开始了小型化探索。第一代原型机约2.5克、拖着线缆，把视场做到3.6毫米，“我们知道要做得越小越好，但当时并不知道还能怎么做小。”
一次产研合作带来的设计启发
转折发生在一次和企业合作上。
2021年，清华大学与一家企业联合为手机开发一款显微镜头，“他们想给手机的影像加一个新的模态，微距或显微。”张元龙回忆，“因为我们在显微方面做得比较多，就找到了我们做联合设计。”
这次合作研发的成果是一台0.5克、总成本不到10美元、可集成进手机的集成显微镜。但对张元龙团队而言，更大的收获是一种显微镜设计新理念的启发。
显微镜已有四百多年的演进史——从单片透镜、三片透镜到复合透镜，但现代显微技术始终锁定在“物镜+筒镜分离”的标准设计语言上：物镜负责放大，筒镜衔接相机的大靶面。“在我们这台显微镜出现之前，大多数小型化显微镜都沿用这个设计语言”，张元龙说，“但这样设计的结果是：物镜、筒镜、照明用的二向色镜一个都不能少，空间永远压不下来。”
与企业的这次合作让他意识到另一条路的存在：“我们发现可以用一组AI辅助优化好的镜片组，来替代物镜和筒镜的关系，极大压缩空间、提升分辨率。”最终，Airscope仅用4片非球面镜片，就在6毫米视场内实现了单细胞分辨率，光学总长比以往微型显微镜缩短约65%，镜片成本不足2美元，整个显微镜的成本不高于100美元。
“如果没有这次合作，很难有这么快的突破，非常困难，我们从2019年开始已经尝试了很多办法都没有成功。”张元龙直言，“一般情况下，高校更清楚成像理论的来龙去脉、领域内待解决的问题，但企业对先进封装、先进工艺有更深的理解，后者正是我们所缺乏的。”
和企业的合作结束后，团队随即决定把同款技术搬到自由活动动物的显微观测上——2023年初，Airscope立项。
“尝百草”找到最适合的芯片
光学引擎之外，更大的工程量在电子与集成，团队最想解决的首个问题是，如何去掉显微镜的“线缆”。
“‘有线’对我们做实验来说是非常痛苦的事情”，张元龙说，“小鼠会折腾头上的线缆，有些比较健壮的小鼠，会把头上的线缆当玩具，拨下来去咬、去拽；两只小鼠在一起，另一只还会去啃对方头上的线缆。”
虽然此前已经有无线显微镜面世，但性能比有线“差一个世代”：带宽受限、机载算力不足，“更重要的是，很多既不能实时查看，也不能交互调控。开机后你也不知道它采到些什么，必须关机后把数据卡抠出来看。”
团队给自己定的目标是：做一款“体验和有线一样的无线显微镜”，可以实时可见、实时交互。为此要同时闯三关：去掉线缆且保住数据质量；把电路板压到极限尺寸；解决供电。
第一个难点的解决得益于国产芯片的更新换代。“这个真的是‘尝百草’试出来的，我们运气很好。”张元龙说，团队在筹备电路设计时，发现市场上新发布的一款物联网芯片恰好集成了他们所需的一切：相机接口、带算力的MCU（Microcontroller Unit，微控制器）、可与WiFi模块整合的无线能力，接口数量也合适。在此基础上，团队对整机布局做了500版以上的迭代，最终把整块PCB（Printed Circuit Board，印刷电路板）做到极小，配合小型化的光学系统，整机重量压进1克。数据方面，200万像素的图像在传感器端完成25倍以上的片上压缩，经WiFi实时传出，在带宽与信噪比之间取得平衡。
Airscope项目团队成员合影，右二为张元龙。受访者供图。
多学科交叉的研究成果
“这台显微镜技术上是高端的，集成了多个领域的最先进技术。”张元龙说，这个项目从一开始就是一个多学科交叉的仪器工程：论文的共同第一作者来自五个不同背景——光学、电子、计算机、医学、机械。
AI则渗透在每一个环节：镜头设计有AI辅助参与，PCB设计有AI协助，数据处理阶段更是高度依赖AI驱动的动物行为判定、动物分割与神经元提取。
Airscope 选择了硬件与算法全开源：任何有能力的实验室都可以照着教程“手搓”一台，“科学无界，我们希望我们的技术能够帮到大家。”张元龙说。
得益于国内成熟的供应链，目前这款显微镜也已经实现了小规模的量产。
如果说目前这个设备还有哪里不足，“电池是现在整个设备最大的瓶颈。”张元龙说。目前最好的一块电池重约1.7克——比显微镜本身还重得多，且只能支持整机连续运行15到20分钟，这也正是当前单次实验的时长。
“我们试了非常多的电池，但这次‘百草’没尝出来。”他说，问题在于这类特殊规格的电池缺乏规模化市场，厂商没有动力单独研制；但他相信这更多是工程技术问题，随着脑机接口等植入式设备行业兴起，紧凑型体内供电电池“一定会成为刚需，相信很快会吸引资本来投资”。
团队下一步有两项计划：其一，跟进新型电池与无线充电，把设备从续航中解放出来——需要时远程充电；其二，集成光遗传模块对神经活动进行调控，从当前的“读取”走向“写入”——让仪器实现闭环。
关于这项技术最终通向哪里，张元龙把光学观测与侵入式电信号脑机接口视为互补而非竞争：电信号时间精度高，但信号局部、难以追溯神经元的“身份”；光学则能拿到神经元类型与大规模群体活动的信息。他希望 Airscope 积累的数据，未来能以“知识库”的形式反哺脑机接口的研发。至于直接用于人体，因受制于细胞标记与伦理等多重门槛，未来还有很长的路要走。
澎湃科技记者 宦艳红
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