陈良怡课题组：从单突触到跨皮层  MIMAS拓展自由行为脑动态的观测尺度

自由行为中的大脑并不是许多孤立区域的简单相加。跑动、探索和位置变化会同时改变多个皮层区域的活动。要理解这种分布式编码，显微镜既要保持细胞级分辨率，也要覆盖足够大的皮层范围，并尽量减少头戴设备对行为本身的影响。

2026年10月7日，北京大学未来技术学院、IDG麦戈文脑科学研究所陈良怡教授团队与合作者在《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”。论文报道了开放源代码的微型集成微透镜阵列系统MIMAS。系统重2.31克，在约4 × 4.5平方毫米视野内实现背侧皮层细胞级荧光成像。

MIMAS采用4 × 5微透镜阵列作为唯一成像元件。每一枚微透镜负责一个子视野；当前系统使用中央16个通道，通过图像旋转、配准、拼接和重叠区域融合形成完整视野。对神经元信号，研究团队先在每个子视野中提取细胞和钙活动，再依据空间距离和时间相关性去除重复记录。该方法把大视场成像拆解为多个局部成像任务，并通过计算步骤恢复跨区域图像。

在自由探索实验中，研究团队从三只小鼠获得3652个经质量控制和去重的神经元，覆盖运动、躯体感觉、视觉和压后皮层等多个区域。神经活动与跑动事件对齐后，可以区分速度正相关和负相关群体。以运动速度监督的CEBRA嵌入呈现连续的低维结构；打乱速度标签后，该结构明显离散。

研究还在两只小鼠中识别出108个位置调制神经元，其中既有单一空间场，也有多个空间热点，并观察到部分响应相似的细胞具有协同活动。

这些结果提供了一种观察分布式皮层状态的方法，但并不意味着本研究已经给出位置编码的完整机制。当前实验采用稀疏标记，样本数量有限，单光子成像的深度也低于双光子系统。MIMAS的主要贡献是让跨多个背侧皮层区域的细胞级动态能够在自然行为中被同时采样。

陈良怡团队长期发展自由行为脑成像技术。2017年，FHIRM-TPM在约2.2克头端中实现树突棘级双光子成像；2021年，第二代系统把能力推进到更大视野、180微米轴向扫描和长期重复观测。微型双光子让研究者深入观察局部神经元、树突和突触，MIMAS则补充广域、跨区域的群体读出。二者并非替代关系，而是从不同尺度测量同一个活动中的脑。

对数字生命中的神经系统建模而言，这种尺度互补十分关键。局部突触与细胞状态需要和跨区域群体动力学、动物姿态及行为结果对齐；模型还必须在新的行为阶段或扰动条件下接受检验。MIMAS的开源设计和可复现处理链，为建立这类动态状态变量和跨实验验证提供了一种可扩展入口。

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、北京大学郭长亮和陈良怡为共同通讯作者。

论文链接

https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.aei8743

开源仓库

https://github.com/ChangliangGuo2/MIMAS