现在，《自然生物医学工程》杂志的一项新研究提出了一种创新的解决方案：一种重量仅为一美分的显微镜，但可以以前所未有的分辨率捕捉广泛的大脑活动。“观察小鼠在进行自然行为(如社交互动和捕食)时大脑的能力将促进我们对全脑分布神经活动与自然行为之间关系的理解，”领导这项研究的洛克菲勒大学的AlipashaVaziri说。
小鼠显微镜
大型哺乳动物可以适应标准的头戴式显微镜，甚至老鼠也可以支撑重约20克(或8美分)的显微镜。然而，老鼠是了解大脑运作的首选模型生物，体型要小得多。为它们设计的显微镜重量必须小于3克。
“近年来，我们看到小鼠头戴式显微镜数量激增，但它们通常仅支持以细胞分辨率成像几百微米的视野，因为更大视野所涉及的设计复杂性会带来难以承受的重量损失，”Vaziri说道。现有的足够轻便、小鼠可以携带的型号不可避免地会损害显微镜的视野、分辨率和深度范围(或其中的组合)，并且容易出现运动引起的伪影。
之前为克服这一限制所做的尝试都是让已有的技术更轻——例如用塑料替换金属部件，同时保持显微镜的基本光学设计(特别是能够对更大视野进行成像的显微镜)，其中重型镜头占了主要重量。Vaziri用他所谓的“原则性方法”应对了这一挑战。他没有试图减轻基于镜头的复杂系统的重量，而是明确了该技术的真正目标：解决样本3D体积中的点与相机2D表面上的点之间的高分辨率映射问题。考虑到这一点，他着手创建一个能够满足这些目标的轻量级系统，而不必受到需要适应基于镜头的图像保存系统的限制。
“每个人都在使用多元件重型镜头，并试图让它们变得更轻，”Vaziri说道。“我们没有问如何让镜头更轻，而是解决了一个逆问题。我们绕过了这个问题，通过开发一种本质上无镜头的策略，摆脱了基于镜头的图像形成的不必要限制。”
新思维=新方法
衍射光学元件(DOE)就是其中之一。与传统镜头不同，DOE使用微结构通过衍射来操纵光线，从而精确控制光波，而传统镜头具有连续曲面，可产生波前的球面曲率。DOE结构紧凑、重量轻且高效。在显微镜中，传统镜头的功能是将物体上的空间点映射到图像平面上(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同时形成越来越大的视野图像时，单个镜头引起的误差(光学像差)需要更多的镜头元件，从而产生复合镜头设计。
Vaziri实验室利用DOE证明了可以在不形成图像的情况下准确地映射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。
由于没有笨重的复合透镜，这款微型显微镜仅重2.5克，可拍摄3.6x3.6平方毫米视野范围内小鼠大脑的广阔部分，横向分辨率为4微米，景深为300微米，记录速度为每秒16体积。而且，它的大部分部件都可以3D打印，也可以使用廉价的消费级手机相机传感器。“如果实验室有兴趣，他们可以轻松地以低成本制造这些显微镜，”Vaziri说。
微型显微镜的未来版本可能包括无线数据传输——当前型号配备的电缆不会妨碍单只老鼠，但在观察多只老鼠相互作用时很容易缠结——并且对技术进行微调，以便观察位于大脑皮层深处的大脑区域。
“该系统有一些牺牲，而且性能远不如大型显微镜，”瓦齐里说。“但这是一次关键的创新，只有通过对问题的新思考和摆脱已知限制才能实现。”