求是高等研究院与药学院、医学院、材料学院、航空航天学院合作构建了一款三维异质微针传感器，记录自由状态下果蝇幼虫软体运动的机械-电生理信号，建立跨模态的智能运动分析平台，实现高精度肌肉基因缺陷分析。2026年9月18日，该项研究以“Real-time, cross-modal genotype mapping of free-moving Drosophila larvae via simultaneous mechano-electrophysiological recording”为题，发表于 Science Advances 杂志。（论文链接：https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.aef7492）
果蝇幼虫是研究人类肌肉疾病和神经系统疾病的经典模式生物，其多体节的软体运动模式可于探索仿生软体运动控制方法。传统的肌肉基因型鉴定和运动表型分析往往需要解剖、化学标记等破坏性手段，难以在自由运动状态下实现高效、实时地读取电生理和功能成像数据。如何在减少或不损伤组织的前提下，高通量地“读懂”基因缺陷带来的运动功能异常，是一个大家关注的问题。
通过构建一种导电银微针与压电P(VDF-TrFE)微针交错集成的三维传感器阵列，开发基于机械-电生理记录的果蝇幼虫肌肉基因缺陷跨模态识别平台，实现了在自由运动状态下对幼虫肌肉电生理信号、压电信号的多通道同步采集，将肌肉缺陷识别准确率提升至 96%。该研究建立了从三维异质微针传感器、多通道运动行为数据同步采集到跨模态运动数据分析的完整技术链，为研究毫米级软体模式动物（果蝇幼虫）在微弱基因表达扰动下的运动行为表型和环路机制提供了新的工具，具有对组织破坏性低、高通量等优势。
结合高精度紫外光刻与气溶胶喷墨3D打印技术，在1.4 × 1.4 cm²的氧化硅晶圆上制备了导电银微针与压电P(VDF-TrFE)微针交错集成的三维传感器阵列，支持 32通道电生理记录 和 8通道压电信号同步记录。各通道制备均一性高，微针高度与针尖直径差异均小于5%。其中，银微针在10 Hz频率下的电化学阻抗约为1.3 MΩ，较好保留低频电生理波形；P(VDF-TrFE)压电微针则凭借高长径比结构实现多方向柔性形变，精准分辨幼虫自由运动产生的复杂接触力变化。
图1 片上银微针与P(VDF-TrFE)微针交错集成的机械-电生理双模态记录器件
图2 基于机械-电生理记录的果蝇幼虫肌肉基因缺陷的跨模态识别平台
通过电磁屏蔽及器件与前端放大器的可靠连接，系统在自由活动状态下幼虫的电生理信号记录中噪声低于 ±15 μV，银微针采集到的肌肉电生理信号功率集中在 1–5 Hz。器件支持同步钙离子成像采集，记录结果显示电生理记录与肌肉钙瞬变相关，具有更高的时间分辨率。P(VDF-TrFE)微针的压电信号通道可清晰区分幼虫的尾部滚动、头部弯曲和前爬行等不同运动模式。行为学分析表明，微针阵列对幼虫活动范围、爬行总距离和停留时间等关键指标无显著影响，支持至少 450秒 的稳定记录，未发现诱发的翻滚逃逸行为。
图3 幼虫电生理-钙离子成像的同步记录与不同运动模式下的压电信号采集
图4 自由活动状态下幼虫的电生理信号与压电信号采集
3. 建立跨模态基因型映射的肌肉缺陷识别方法：双模态融合让准确率跃升至96%
基于高保真双模态信号，利用Mef2-GAL4驱动肌肉特异性工具，对比了两种功能相反的离子通道基因RNAi敲降的幼虫品系在个体层面的表型差异。电生理记录显示，钾通道基因 slo 敲低产生尖锐波形，钠通道基因 para 敲低产生更宽、低幅波形，与其相反的离子功能相符。研究者从波形中提取时长、幅度、主频、小波功率以及压电信号相对峰高（RPH）等特征，输入KNN分类器，交叉验证评估。结果显示：仅用电生理特征准确率最高为 88%，进一步融合机械-电生理双模态特征后提升至 96%，体现了跨模态信息互补的必要性。相比之下，传统明场成像与钙成像的判别准确率约为 40% 和 72%，钙成像无法区分这两个表型相反的敲低品系。
图5 离子通道基因RNAi敲降品系幼虫的跨模态识别
4. 非破坏、高通量、保留生理相关性：从基因到自由行为的桥梁
该生物电子平台无需预先固定、解剖和化学标记，可在幼虫自然运动过程中直接获取机械和生物电生理信号表型。实验表明，所记录的信号主要反映内源性电生理活动而非机械伪影，可检测AITC药物刺激引起的伤害性反应变化，分析果蝇幼虫软体运动的时序控制模式，开展软体运动控制的仿生研究。有望此前主要在细胞尺度实现的分子-功能配对拓展到个体水平，为自由运动状态下身体功能完整个体的关联基因型与功能表型研究提供新工具。
总结与展望：
该研究建立了从三维异质微针传感器、多通道运动行为数据同步采集到跨模态运动数据分析的完整技术链，为研究毫米级软体模式动物在微弱基因表达扰动下的运动行为表型和环路机制提供了新工具，把此前主要在细胞尺度实现的分子-功能配对，拓展到了身体完整、自由运动状态的个体行为水平。
果蝇幼虫不用被固定在微流道或贴附在载物台上，而是在接近自然的运动状态下实现信号的长时间稳定、高保真采集。这种非破坏、高通量的跨模态基因型映射（CMGM）框架，可服务于基因型-表型关联筛选与疾病建模，为老龄化、疾病进展及药物干预等需要个体纵向追踪的研究提供新的研究方法，此外也为果蝇幼虫软体运动的神经控制机制、软体运动控制的仿生智能算法等研究提供新的研究工具。
论文第一作者为求是高等研究院博士生董凯如，共一作者分别为药学院博士生宋浩、医学院博士后赵倩晖。共同通讯作者为求是高等研究院郑能干教授、药学院南科望研究员。求是高等研究院博士生宋智颖、材料科学与工程学院博士生吕福、药学院硕士生万斯欧文、求是高等研究院博士生郑天宇、药学院博士后樊云龙、药学院博士后刘文哲、求是高等研究院张韶岷研究员、材料科学与工程学院吴勇军教授、材料科学与工程学院黄玉辉副教授、航空航天学院宋吉舟教授、医学院龚哲峰教授为本研究做出了重要贡献。该研究得到了国家自然科学基金和浙江省自然科学基金的资助。
