科大工学院学者开发高分辨率脑成像技术　首次实现小鼠大脑实时观测

香港科技大学（科大）工学院的研究团队在脑成像领域取得重大突破，成功开发出一项全球首创技术，能够以近乎无创方式，对清醒状态下的实验小鼠大脑进行高分辨率图像扫描。这项创新技术毋须对实验动物实施麻醉，使科学家能直接观察大脑在自然运作状态下的组织活动，未来将有助深入探索人类脑部在健康和疾病状态下的运作，为神经科学研究开辟全新路径。

人类大脑构造极其复杂，科学家一直试图利用脑成像技术探索其运作机制。然而，现有成像技术如磁力共振成像、脑电图、电脑断层扫描和正电子发射断层扫描等，均难以解析大脑微细结构及工作机制。由于小鼠在基因和生理结构上与人类高度相似，常被用作实验模型，用于研究阿兹海默症、亨廷顿舞蹈症、脑痫症等神经系统疾病的治疗方法，以及多种人类癌症疗法和疫苗效用等。然而，在麻醉状况下，小鼠的血液循环、胶质细胞形态及神经元活动会发生显著改变，实验效果远不如清醒状况理想。此外，小鼠在自然活动时亦会导致扫描图像模糊，令观察大脑细微部位的活动变得十分困难。

由科大工学院电子及计算机工程学系教授瞿佳男教授带领团队开发的新技术「数字复用焦点感测与整形」（Multiplexing Digital Focus Sensing and Shaping，简称MD-FSS），建基于团队2022年在《自然 – 生物技术》期刊发表的「 模拟锁相相位检测焦点感测与整形（Analog Lock-in Phase Detection Focus Sensing and Shaping，简称ALPHA-FSS）技术进一步开发而成。ALPHA-FSS利用三光子显微镜，具备高精度和高校正阶数的优势，能以亚细胞级分辨率观测脑部深层组织。然而，ALPHA-FSS的焦点测量速度仍不足以清晰捕捉清醒小鼠大脑组织的活动状况。此外，小鼠颅骨的厚度和密度亦会显著吸收和散射进入大脑的光线，令双光子显微镜难以穿透颅骨。即使是大脑表层区域，图像质素也会因此下降，导致成像效果不佳。

图像更清晰　测量速度快十倍

为应对这些挑战，团队开发的MD-FSS技术显注提升了点扩散函数（即物体面点光源在光学系统成像下的三维光场分布）的测量速度，能引导多束空间分离的弱激光光与强雷射光在大脑中同步运作，产生非线性干涉效应。每束激光光均以特定频率编码，并载有独特的空间讯息。团队采用先进的「数字相位解调」技术，能够从高噪声背景中精确提取微弱信号，实现并行解码。这种方法能将测量时间缩短至0.1秒以内，速度较原有技术提升十倍以上，并可实时追踪大脑动态，提供更清晰、更精确的图像。

多光子显微镜的分辨率较现有脑电图、电脑断层扫描等成像方法高出数百至数千倍，能够清晰观测单个神经元、免疫细胞乃至最微细的毛细血管结构及其功能。为此，团队将MD-FSS技术与多光子显微镜相结合，构建出「自适应光学多光子显微技术」，实现了对大脑活动的多功能动态观测。该技术可追踪小鼠大脑免疫细胞的功能变化、测量毛细血管中的血液流动速度、观察神经细胞在思维和感知处理过程中的活动状态，并监测脑细胞与血管之间的相互作用。

瞿教授表示：「这种对清醒实验动物的高分辨率、近乎无创的实时观测，在过去因技术限制一直未能实现。新技术具备快速校正像差的能力，不仅可实现高质量成像，亦不会对实验小鼠的脑组织造成损伤。在不受麻醉药物干扰的情况下，我们能够以亚细胞级分辨率捕捉实验小鼠大脑中神经元、胶质细胞和血管的动态变化，这将有助科学界深入探索人类脑部在健康和疾病状态下的各种运作，为神经科学研究开辟全新视野。」

灵活扩展配合未来研究

团队在设计MD-FSS时，更特意预留扩展空间，以满足未来发展的需要。系统目前采用了八束弱激光光进行点扩散函数的测量，随着光控技术的进一步升级，日后可增加至数十以至数百束，以完成更快速、范围更广的成像。

瞿教授续指：「团队今次不仅改良了技术，更建立了一体化平台，实现多功能的小鼠大脑检测。 凭借这项突破，神经科学家能运用前所未有的方式研究人类大脑的快速活动、复杂的网络互动，以及疾病演化，为学习、记忆、精神健康和神经疾病等领域开启知识大门。」

研究结果已于国际期刊《自然通讯》发表，论文题为「基于快速自适应光学在清醒活动小鼠中实现近非侵入性高分辨率脑成像」，由瞿教授和电子及计算机工程学系博士毕业生秦仲亚博士共同担任通讯作者，博士生佘镇涛及傅奕铭为共同第一作者。

关于香港科技大学
香港科技大学（科大）（https://www.hkust.edu.hk/）是国际知名的大学，致力推动创新教学、卓越研究及具影响力的知识转移。科大着重为学生提供全面及跨学科的教学，于《泰晤士高等教育全球年轻大学排名榜2024》中排行第三，在《泰晤士高等教育大学影响力排名2025》中全球排第19、全港第一。另有13个科目跻身《2025年QS世界大学学科排名》全球50强，其中数据科学及人工智能学科全球排名第17位，蝉联本地大学之冠。此外，科大在全球大学就业能力排名中，一直位处全球首30名以内，反映毕业生极具竞争力。在研究及创业创新方面，逾八成的科大研究，于香港的大学教育资助委员会最新的「2020研究评审工作」被评为「国际卓越」或「世界领先」水平。直至2025年7月，科大成员共创立了逾1,900间至今活跃的初创公司，当中包括10间独角兽企业和17间成功退场的公司（上市集资或被并购）。

（原文由香港科技大学环球事务及传讯处在此发布。）