Ein Epifluoreszenzmikroskop-Design für naturalistisches Verhalten und Zellaktivität bei frei beweglichen Caenorhabditis elegans

Kleine Würmchen bei ihrem normalen Leben beobachten

Um zu verstehen, wie Gehirne Verhalten steuern, müssen Forschende sehen, was Nervenzellen tun, während ein Tier sich natürlich bewegt – nicht nur, wenn es unter einem schweren Mikroskop fixiert ist. Diese Studie stellt Wormspy vor, ein einfaches, kostengünstiges Mikroskop- und Softwaresystem, das es ermöglicht, sowohl die Bewegungen als auch die leuchtende Aktivität von Zellen in winzigen Fadenwürmern zu verfolgen, während diese sich frei bewegen. Es bietet damit einen Einblick, wie Nervensysteme in Echtzeit arbeiten.

Ein kleines Tier mit großer Rolle in der Hirnforschung

Die Arbeit konzentriert sich auf Caenorhabditis elegans, einen millimetergroßen Bodenwurm, der in Biologielabors sehr beliebt ist. Diese Würmer sind nahezu durchsichtig und besitzen eine feste Zellanzahl, was es ermöglicht, einzelne Muskeln und Neurone über verschiedene Tiere hinweg zu verfolgen. Durch gentechnische Veränderung lassen sich bestimmte Zellen so markieren, dass sie bei Kalziumänderungen aufleuchten; so können Forschende per Licht erkennen, wann diese Zellen aktiv werden. Bisher erforderte dies beim freien Bewegen der Würmer jedoch meist teure Spezialmikroskope oder ging zulasten der natürlichen Verhaltensvielfalt.

Ein kompaktes Werkzeug zum Aufspüren von Licht in bewegten Würmern

Wormspy wurde entwickelt, um diese Lücke zu schließen. Statt die Wurmplatte unter einer festen Linse hin- und herzuschieben, bewegt das System das Mikroskop selbst über eine stabile Arena, wodurch Vibrationen für das Tier gering bleiben. Eine Einzelobjektivlinse erfasst gleichzeitig zwei Bildkanäle: ein Kanal zeichnet Umriss und Körperhaltung des Wurms auf, der andere erfasst das veränderliche Leuchten fluoreszenter Indikatoren in den Zellen. Handelsübliche Kameras, Lichtquellen und motorisierte Stage-Elemente werden von Open-Source-Software gesteuert, die verschiedene Tracking-Modi ausführt – von einfachen Helligkeitsschwellen bis zu fortgeschrittener Computer-Vision – während eine Autofokus-Funktion das Bild scharf hält, während der Wurm kriecht.

Muskeln, Sinnesorgane und feine Details in Aktion sehen

Die Autorinnen und Autoren zeigen, dass dieses System mehr als nur ein cleveres Gerät ist, indem sie es auf mehrere klassische Fragestellungen der Wurm-Neurowissenschaft anwenden. Zuerst zeichneten sie auf, wie die Körperwandmuskulatur beim Kriechen aufleuchtet und verglichen normale Tiere mit Mutanten, die einen bekannten Bewegungsfehler haben. Wormspy erfasste rhythmische Wellen muskulärer Aktivierung entlang des Körpers und bestätigte, dass die Mutanten tiefer biegen und sich mit langsameren, veränderten Mustern bewegen. Danach konzentrierte sich das Team auf ein einzelnes Schmerz-empfindendes Neuron namens ASH, während die Würmer auf einen Ring aus salzigem Glycerol stießen. Durch gleichzeitige Aufzeichnung grüner und roter Signale und Korrektur für Bewegung sahen sie, dass die Aktivität dieses Neurons kurz vor und während der Fluchtumkehrungen der Würmer anstieg – in Übereinstimmung mit früheren Studien an fixierten Tieren.

Nahrungsreize folgen und feinräumige Nervensignale

Wormspy bewältigte auch anspruchsvollere Szenen, etwa Würmer, die auf einem Fleck Bakterien kriechen, der als Nahrung dient. Auf dieser unebenen, visuell stark strukturierten Oberfläche verfolgte das System weiterhin ein geruchs-sensitives Neuron namens AWCON und zeigte, dass dessen Aktivität ansteigt, wenn die Nase des Wurms die Nahrung verlässt – im Einklang mit Theorien darüber, wie Tiere suchen, wenn Nahrung knapp wird. Schließlich steigerten die Forschenden die Auflösung, indem sie winzige, lokal begrenzte Kalziumausbrüche in verschiedenen Segmenten des Axons eines einzelnen Interneurons maßen, während der Wurm seinen Kopf von einer Seite zur anderen schwang. Sie fanden, dass diese Signale eng mit Richtung und Geschwindigkeit der Kopfbewegungen verknüpft waren und sich zeitlich von Messungen in immobilisierten Würmern unterschieden – ein Hinweis auf den Wert, wirklich freie Bewegung zu untersuchen.

Barrieren senken, um Gehirne in Bewegung zu beobachten

Zusammen zeigen diese Demonstrationen, dass Wormspy detaillierte Zellaktivität mit natürlichem Verhalten verbinden kann, ohne teure kommerzielle Mikroskope oder komplexe Spezialanalysen zu benötigen. Da das Design modular, offen und aus Standardteilen aufgebaut ist, können andere Labore es für verschiedene fluoreszierende Marker, lichtbasierte Stimulationsmethoden oder sogar andere kleine Tiere wie Fliegenlarven anpassen. Für Nicht-Spezialisten ist die Kernbotschaft: Werkzeuge wie Wormspy erleichtern Forschenden weltweit das Beobachten lebender Nervensysteme in Aktion, während Tiere sich normal verhalten, und bringen uns näher an ein Verständnis, wie Aktivitätsmuster in kleinen Gehirnen die äußeren, komplexen Verhaltensweisen hervorbringen.

Zitation: Wittekindt, S.N., Owens, H., Guisnet, A. et al. An epifluorescence microscope design for naturalistic behavior and cellular activity in freely moving Caenorhabditis elegans. Nat Commun 17, 4411 (2026). https://doi.org/10.1038/s41467-026-72709-w

Schlüsselwörter: Caenorhabditis elegans, Kalzium-Bildgebung, Open-Source-Mikroskop, Neuronale Aktivität, frei bewegliches Verhalten