Page 64 - 《中国医疗器械杂志》2026年第1期

Chinese Journal of Medical Instrumentation 2026年 第50卷 第1期

综 合 评 述

[53]
4 光学钙成像脑机接口技术前沿 的非神经元细胞的信号 。单光子显微镜有光纤和
集成两种形式的显微镜。其装置体积可以做得更
侵入式BCI往往具备采集信号质量好的优势， 小，成本也更低，因此可以研发出头部可佩戴的微
但是存在手术风险。而且，采用植入电极技术的侵 [54]
型显微镜 。当前的钙成像采集设备均基于2016年
入式BCI通常面临电极采集信号易受污染的问题，
斯坦福大学Schnitzer实验室研发的微型荧光显微
致使难以对特定神经元实现精确捕捉。同时，电极
镜，并在此基础上进行转化和商业化应用 。
[55]
尺寸的限制也使得采集到的神经元数量和监测区域
范围受到约束，无法同时覆盖同一脑部区域内的大
405 nm LED CMOS sensor
量神经元。以上典型问题制约了传统侵入式脑机接 470 nm ORCA 4
Camera
LED Achromatic
口在神经信号获取方向上的进一步发展。 lens
Filter
基于光学钙成像技术的OBCI，为突破传统侵 Dichroic Dichroic 10 mm Dichroic Filter LED
入式BCI的固有局限性开辟了新的路径。它不仅具 Imaging GRIN Half-ball
aperture
lens
备侵入式BCI的信号质量高的优势，还具备独特的 (a) 双光子微型显微镜 (b) 单光子微型显微镜 (c) 单光子微型
(a) Two-photon 光路截面 显微镜系统
性能，使其成为一种新兴的侵入式BCI技术。和以 micromicroscope (b) Cross-sectional view of the (c) Single-photon
optical path of a single-photon micromicroscope
往的植入电极BCI相比，光学钙成像BCI可以更准 micromicroscope system
确地响应神经元的发放和静息状态信号，并且通过 图6 双光子和单光子钙成像采集设备
使用该光学方法轻松捕捉脑内大规模神经元群体的 Fig.6 Two-photon and single-photon calcium imaging acquisition
equipment
活动信息。这种运用光学成像技术的BCI可以全面
克服电极阵列固定位置限制、场电位信号局限性以 目前，大多数基于光学钙成像技术的BCI研究
及无法进行长期记录等现有脑机接口问题，帮助未 还处于动物试验的实验室研究阶段。光学钙成像
来基于BCI的电极阵列进行特殊化设计 ，以实现 BCI系 统 的 动 物 试 验 示 意 如 图 7所 示 。 2021年 ，
[49]
对自由活动要求更高的BCI研发。 TRAUTMANN等 [49] 展示了一种光学钙成像BCI系
光学钙成像BCI技术与fNIRS-BCI技术和光遗 统，通过该系统可以对从事运动任务的恒河猴的
传学BCI技术的基础原理具有相似之处，即信号采 神经元钙信号进行长期、运动稳定的双光子成
集过程也是通过采集能够表征神经元活动的光信号 像。该系统成功地实现了对背侧运动前区（PMd）
指标来实现的。但是光学钙成像技术是一种成像机 和回旋初级运动区（M1）皮质中大量深层和浅层
理完全不同于fNIRS技术和光遗传学技术的光学成 皮质神经元的光信号采集，并在线解码了运动方
像技术。其主要过程是探测采集神经元内的钙离子 向。其还成功验证了许多有助于OBCI解码的第
（ 2+ 2+ 5层输出神经元的成像树突和假定的Betz 细胞。这
Ca ）浓度。引入特定的荧光染料或Ca 指示
剂，可以将神经元与外部荧光信号的生理反应相互 为将来实现临床运动康复和控制的OBCI创造了可
关联，从而使神经元内游离Ca 浓度的变化反映为 能。第二年，SUN团队 构建了一个由大型神经
2+
[56]
[50]
荧光信号强度的波动 。结合钙探针与荧光显微成 元（约600个）集合的光学钙成像BCI，在小鼠
2+
像技术，当神经元兴奋时，其膜上的Ca 通道会开 CA1区海马神经元有效实现解码空间、视觉和听
2+
启，导致神经元内外Ca 浓度发生变化。借助 觉信息。通过提出的高速端到端分析工作流程，
2+
Ca 指示剂，这种变化被转换成荧光信号强度的波 结合继续机器学习技术可进行高精度解码。这一
动，而荧光显微镜则记录下这一变化，进而实现了
工作为OBCI在脑功能神经受损导致失聪、致盲等
对大脑神经元活动的监测，并能同时观察大脑多个
患者上的临床应用研究奠定了基础。
区域或功能不同的神经细胞。

钙成像采集设备是光学钙成像BCI设备系统的 DAQ
Camera
核心组成设备。其中，用于采集记录钙离子变化量
的主要设备是显微镜成像系统，常用的有单光子显 Linear track
[51]
微镜 、双光子显微镜 ，如图6所示。在OBCI设
[52]
备应用中，双光子显微镜比传统植入电极的侵入性
小，因为它通常不需要破坏硬脑膜或大脑深层组 图7 光学钙成像BCI系统的动物试验示意 [56]
Fig.7 Schematic diagram of animal experiment of optical calcium
织，且可以采集亚细胞区室中与动作电位激发无关 imaging BCI system [56]

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