科學家們最近開發了一種新型緊湊型成像設備，這項技術有望徹底改變我們對大腦的研究方式。這種設備標誌著神經科學研究的一次重大進步，能夠實現高分辨率、實時的自由活動小鼠大腦活動成像。這種微型顯微鏡使得研究人員能夠以前所未有的細節觀察神經活動與行為之間的關係，為大腦功能的理解提供了新的視角。
這一技術創新預計將顯著加深對大腦功能的理解，並提供關於感知、認知及行為如何與基礎神經過程緊密相連的重要見解。這些見解最終可能促進新療法的開發，以對抗各種大腦疾病，從而改善人類健康的治療效果和結果。
基於先前的研究，電機及計算機工程教授楊偉健及其團隊開發了 DeepInMiniscope，一種無透鏡相機，能夠通過單次曝光生成三維圖像。這種相機不再使用一個笨重的透鏡，而是採用一個薄掩膜，掩膜上嵌入了數十個微型透鏡，每個透鏡捕捉同一物體的獨特視角。先進的計算算法隨後將這些多個視角整合，重建出詳細的三維圖像，這種緊湊且高效的成像方法有潛力變革研究人員對複雜結構的研究方式。
以往的成像系統在低散射環境中對大型物體的影像表現良好，例如機器視覺組裝零件，但在捕捉生物或生物醫學樣本的細節方面表現不佳。在活組織中，光散射現象普遍存在，信號對比度通常較低，重建大型體積的精細特徵面臨重大計算挑戰。DeepInMiniscope 通過重新設計掩膜，搭載超過 100 個微型高分辨率透鏡，並配合新穎的神經網絡進行圖像重建，有效克服了這些限制。這種方法使系統能夠「透視」組織，實現無需手術或其他侵入性程序的詳細生物醫學成像。
DeepInMiniscope 採用一種將基於模型的迭代優化與傳統深度學習相結合的神經網絡。這種網絡的結構由多個階段組成，每個階段都像是一個模擬優化一輪的迷你網絡。對於楊教授的顯微鏡而言，這個網絡能夠在大範圍的三維體積中即時重建高分辨率的細節，將來自所有 100 個透鏡的數據整合成為一幅連貫的圖像。通過這種方法，楊教授及其團隊成功記錄了小鼠的實時神經元活動，捕捉到大腦過程的微妙變化，並以空前的清晰度呈現出來。
根據研究小組的介紹，「我們的算法結合了可解釋性、效率、可擴展性和精確性。它只需最少量的訓練數據，卻能以高速度穩健而準確地處理大規模數據集。」研究小組的首席作者、楊教授實驗室的博士後研究員田鋒進一步解釋道。接下來，楊教授計劃將設備縮小至僅 2 平方厘米，這大約是小鼠帽子的大小，並使其無線化，以便實現對自由活動小鼠大腦活動的實時成像，進一步推進對大腦如何驅動行為的理解。
