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复杂行为神经机制的研究不仅是神经科学领域的重大问题，也有助于启发高适应性的类脑人工智能。理解神经元动态如何产生行为，不仅需要高分辨、大规模的神经记录技术，也要求这些技术能够兼容动物的自然行为。先进的台式显微镜可以实现单细胞分辨率下对多脑区神经群体的活动的观测，但需要将小鼠头部固定在显微镜下，严重限制了小鼠的自然行为。与此相对，近年来发展的微型化显微镜可以被小鼠佩戴在头上跟随小鼠运动，为社交、睡眠、空间认知等复杂行为机制的研究带来了有力工具。然而，由于系统体积的固有限制，现有的头戴式显微镜的性能高度受限，只能实现小视场或低分辨的神经观测，且容易受到轴向系统漂移带来的伪影干扰。如何在严重受限的系统体积内实现高分辨、大视场、大景深的神经成像，是神经科学领域一个亟待解决的重大挑战。

2024年6月20日，清华大学戴琼海院士团队在Nature Biomedical Engineering在线发表了一篇题为A miniaturized mesoscope for the large-scale single-neuron-resolved imaging of neuronal activity in freely behaving mice的工作。针对传统光学设计受系统体积限制的难题，该研究提出一种基于衍射光学元件(DOE)的系统优化方法，研制了一种新型的系统优化微型显微镜（SOMM）。通过联合优化紧凑的衍射光学元件和计算重建算法，SOMM在保持重量和体积限制的同时实现最优的成像性能，可以在直径3.6mm视场范围内，以4微米的分辨率和300微米的景深，实现高达16 Hz的神经元群体活动记录。SOMM在自由活动小鼠的社会互动、条件反射实验、多平面同时观测和神经耦合研究中展示了其出色的成像性能，为神经科学研究提供了新的技术平台。