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。
1. 微型化双模态成像技术
本研究核心技术之一是双模态成像的轻量化集成。传统光学显微镜受限于光学器件体积与信号采集复杂性，难以兼顾高分辨率与动物行为自由度，无法实现神经血管同步成像。研究团队通过创新设计实现了技术突破：
l多模态融合：CFM追踪神经元钙信号活动，PAM无标记检测血氧饱和度（sO₂）、总血红蛋白（HbT）、含氧/脱氧血红蛋白（HbO/HbR）含量及血管直径的多参量变化。
l轻量化设计：采用高灵敏微型压电超声换能器（0.4 mm×0.5 mm）替代传统大尺寸声学传感器；搭载双轴微型MEMS振镜实现成像扫描；配合定制化微型物镜等光学元件，突破CFM/PAM双模态融合成像的物理约束。通过单根光纤同时传输三种激光波长（488/558/570 nm）并收集荧光信号，保证了系统轻量化集成。
l抗干扰优化：通过拉曼光纤技术实现PAM激发光谱与CFM发射光谱分离，避免了两种模态同时成像的交叉干扰；采用具有聚酰亚胺涂层的光纤，抑制了光纤自发荧光干扰；对光纤进行末端角度抛光与增透镀膜处理，进一步抑制背景噪声。
2. 多种应用场景验证技术性能
基于头戴式显微镜，成功开展了小鼠自由活动下的脑功能和脑疾病成像实验，展示了该技术在神经血管耦合成像研究中的潜力。
l全局缺氧挑战下的神经血管响应
通过降低小鼠吸入氧气浓度模拟缺氧环境，发现小鼠神经元在缺氧刺激下呈现异质性响应：部分神经元胞体钙信号显著增强（△F/F增强97%），另一些则被抑制（△F/F降低49%）。血管同步成像结果显示，缺氧导致整体血管sO2下降36%，大部分血管出现直径扩张（最高可达37%）。通过进一步分析神经元钙动态与sO2变化之间的相关性，揭示了神经元群体不同的氧依赖性特征，实现了不同神经元类别的分类。
l局部躯体感觉刺激下的神经血管调控
在自由活动小鼠四肢施加快速电流刺激，可发现对应的躯体感觉皮层神经元被显著激活，钙信号峰值最高达到基线的202%，同时皮层小动脉血氧上升22%（小静脉仅6.7%）。高分辨率光声成像结果显示，在电刺激时小动脉出现显著舒张，体现了小动脉对维持脑区氧储备的主动调控；而小静脉扩张变化相对微弱，更多反映的是上游血流变化的被动结果。通过神经-血管邻接矩阵关联性分析，发现小动脉与神经元活动表现出更强的相关性。
l癫痫发作的神经血管耦合特征
在癫痫急性发作实验中，研究人员利用戊四唑（PTZ）诱导小鼠癫痫模型，观察到癫痫爆发前低强度高频神经放电导致的血氧消耗（sO2下降9.88%）与部分血管异常扩张（直径增加36%）。这种先于癫痫猝发放电的氧消耗和血管扩张，可为癫痫干预治疗提供潜在的时间窗口。
（A）小鼠癫痫模型诱导；（B）小鼠正常活动与癫痫发作时的神经元钙活动信号和血氧饱和度（左），以及代表性双模态融合图（右）；（C）癫痫波传输过程记录。标尺：50 μm。
3. 未来展望
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。
