Nature子刊：仅重2.5g的显微镜捕捉运动小鼠大片活动脑区

当小鼠探索周围环境时，大脑中数百万个神经元同步活动。一次只研究一小部分就等于只见树木不见森林，但是功能强大的显微镜能够捕捉到…

　　

安装在小鼠身上的微型显微镜可以让科学家观察到行为过程中全脑分布的神经活动。

当小鼠探索周围环境时，大脑中数百万个神经元同步活动。一次只研究一小部分就等于只见树木不见森林，但是能够同时捕捉整个小鼠大脑的强大显微镜太重了，不能装在一只移动的小鼠身上。

现在，发表在《Nature Biomedical Engineering》杂志上的一项新研究提出了一种创新的解决方案:一种重量只有一美分的显微镜，但可以以前所未有的分辨率捕捉到大脑活动的大范围。

洛克菲勒大学的Alipasha Vaziri是这项研究的负责人，他说:“观察小鼠从事自然行为(如社交互动和猎物捕获)时大脑的能力，将促进我们对大脑分布神经活动与自然行为之间关系的理解。”

如何显微镜

大型哺乳动物可以容纳标准的头戴式显微镜，甚至小鼠也可以支持重约20克或8美分的技术。然而，作为了解大脑运作的首选模式生物的小鼠要小得多。为它们设计的显微镜重量必须小于3克。

Vaziri说:“近年来，我们看到了用于小鼠的头戴式显微镜的爆炸式增长，但它们通常只支持以细胞分辨率成像几百微米的视场，因为大视场的设计复杂性带来了不可持续的重量损失。”

现有的模型，足够轻的小鼠携带总是损害显微镜的视野，分辨率和深度范围(或其组合)，并容易产生运动诱发的伪影。

先前克服这一限制的尝试是为了减轻现有技术的重量，例如，将金属部件换成塑料部件，同时保持显微镜的基本光学设计(特别是那些能够成像扩大视野的显微镜)，其中沉重的透镜构成了重量的主要部分。

Vaziri用他所谓的“原则性方法”来应对这一挑战。他并没有试图让一个基于镜头的复杂系统重量更轻，而是澄清了这项技术的真正目标:解决样品的3D体积点与相机的2D表面点之间的高分辨率映射问题。

考虑到这一点，他着手创建一个轻量级的系统来满足这些目标，而不受需要适应基于图像保存镜头的系统的限制。

“每个人都在使用这些多元素的重镜头，并试图使它们更轻，”Vaziri说。而不是问如何使镜头更轻，我们解决了一个相反的问题，并绕过了这个问题，通过开发一种基本上没有镜头的策略，把我们从基于镜头的图像形成的不必要的限制中解放出来。”

新思维=新方法

输入衍射光学元件(DOEs)。不像传统的透镜，它有一个连续的曲面来产生波前的球面曲率，DOEs使用微结构来操纵光通过衍射，允许光波的精确控制。它们体积小、重量轻、效果好。

在显微镜中，传统镜头的功能是将物体空间中的点映射到成像平面上(如相机传感器)，确保形成的图像与实际场景相似。然而，当人们试图在保持分辨率的情况下形成越来越大的视场图像时，由单个透镜引起的误差(光学像差)需要更多的透镜元件，从而导致复合透镜的设计。

使用did, Vaziri实验室证明，可以在不形成图像的情况下准确地绘制场景和传感器之间的位置，然后使用计算方法重建原始场景。

由于没有沉重的复合透镜，这款微型显微镜的重量只有2.5克，可以在3.6 x 3.6 mm²的视场范围内，以4 μm的横向分辨率、300 μm的景深和每秒16卷的记录速度捕捉小鼠大脑的广阔区域。

它的大部分部件都可以3D打印，或者使用便宜的消费级手机摄像头传感器。“如果实验室感兴趣，他们可以很容易地以低成本制造这些显微镜，”Vaziri说。

未来的迷你显微镜可能包括无线数据传输——目前的模型配备的电缆不会妨碍一只小鼠，但在观察多只小鼠相互作用时很容易缠在一起——以及对技术进行微调，使其能够观察大脑皮层深处的区域。

Vaziri说:“该系统有一些牺牲，而且性能远不如大型显微镜。但这是一个关键的创新，它只能来自于为问题带来新的思考，并将自己从感知到的限制中解放出来。”