Ein modularer Mehrfarben-Fluoreszenzmikroskop zur gleichzeitigen Verfolgung zellulärer Aktivität und Verhalten

Kleine Tiere in Aktion beobachten

Wie arbeiten Muskeln und Nervenzellen zusammen, während ein Tier seine Umgebung erkundet? Bei Lebewesen, die nur wenige Millimeter groß sind, war diese Frage schwer zu beantworten, weil das Herankommen an die Zellen meist zulasten einer umfassenden Sicht auf das Verhalten ging. Dieser Artikel stellt ein einfaches, erschwingliches Mikroskop vor, mit dem Wissenschaftler und Studierende gleichzeitig zelluläre Aktivität und Ganzkörperbewegungen kleiner Tiere beobachten können.

Ein einfaches Werkzeug aus Fertigbauteilen

Die Autorinnen und Autoren beschreiben ein neues Fluoreszenz-Tracking-Mikroskop, das vollständig aus handelsüblichen Komponenten in etwa drei Stunden zusammengesetzt werden kann. Anstatt das Tier unter einer festen Linse zu bewegen, sitzt das gesamte Mikroskop auf einer motorisierten Bühne, während das Beobachtungsbecken stillsteht. Dieses Design reduziert Vibrationen und erleichtert das Hinzufügen von Extras wie Temperaturregelung oder Lichtquellen zur Stimulation. Durch den Austausch weniger optischer Bauteile kann dasselbe System zwischen Hellfeld-, Einkanal- und Dual-Farb-Fluoreszenz-Modi wechseln und vom gesamten Tier bis hinunter zu einzelnen Neuronen zoomen.

Software, die dem Tier eigenständig folgt

Zur Steuerung der Hardware entwickelte das Team ein plattformübergreifendes Programm namens GlowTracker. Diese Software liest Kamerabilder ein, bewegt die Bühne, um das Tier im Bild zu halten, und führt grundlegende Tracking-Aufgaben in Echtzeit aus. Sie kann automatisch die Pixelgröße und Kamerarotation bestimmen, verschiedene Farbkanäle ausrichten und einfache skriptgesteuerte Routinen ablaufen lassen. Tests zeigten, dass das System Tiere über große Platten für Zehnminuten bis Stunden verfolgen kann, mit Bildraten, die hoch genug sind, um schnelle Änderungen in Muskel- und Nervenaktivität einzufangen.

Bewegung und Muskelaktivität verknüpfen

Anhand von Fruchtfliegenlarven, die durch wellenförmige Muskelkontraktionen kriechen, demonstrierten die Forschenden, wie das Mikroskop Körperhaltung, geruchsgeleitete Navigation und Muskelaktivität verbindet. Larven krochen über eine Platte mit einem Essig-Duftgradienten, während ihre Muskeln in zwei Farben aufleuchteten: eine Farbe zeigte Calciumwerte, die andere diente als stabile Referenz. Das Tracking hielt jede Larve zentriert, selbst wenn sie Zentimeter weit über das Becken wanderte. Aus den Dual-Farb-Filmen rekonstruierte das Team die Körperform und extrahierte Muster der Muskelaktivierung entlang des Körpers, wodurch deutlich wurde, wie peristaltische Wellen gerades Kriechen und Wendungen unterstützen und Vergleiche zwischen Larven, die die Geruchsquelle erreichten, und solchen, die es nicht taten, möglich wurden.

Einen Blick in einzelne Neuronen und Räuber-Beute-Spiele

Dasselbe System, auf höhere Vergrößerung eingestellt, wurde genutzt, um einzelne berührungsempfindliche Neuronen in frei beweglichen Fadenwürmern zu überwachen. Wenn die Platte leicht vibriert wurde, zeigte ein bestimmtes Neuron im Schwanz ein Calcium-Signal, das je nach Fluchtrichtung — vorwärts oder rückwärts — auf unterschiedliche Weise anstieg und wieder abfiel. Das demonstriert, dass das System subtile neuronale Dynamiken in Bewegung erfassen kann. In einem anderen Experiment verfolgte der Dual-Farb-Modus rot markierte räuberische Nematoden, die grün markierte Beute jagten. Die Aufnahmen erfassten komplette Jagdsequenzen, und das grüne Signal um das Maul des Räubers stieg an, sobald es biss und fraß — und bestätigte damit Vorhersagen früherer Verhaltensmodelle darüber, wann realer Kontakt stattfindet.

Lange Reisen und unmarkierte Tiere verfolgen

Das modulare Design ermöglicht zudem Stundenaufnahmen bei minimaler Ausbleichung der Fluoreszenz. In einem Beispiel verfolgte das Mikroskop einzelne Würmer beim Nahrungssuchen und zeichnete Muskelaktivität beim Fressen, Richtungswechsel und Geschwindigkeit über große Strecken auf. Im Hellfeld-Modus verfolgte dieselbe Hardware Tardigraden, winzige „Bärtierchen“, die genetisch nicht markiert sind. Durch die Kombination des Trackings mit Pose-Estimation-Software analysierten die Autorinnen und Autoren Beinbewegungen über viele Minuten, entdeckten unterschiedliche Gangmuster und wie diese mit Wendungen und Gehgeschwindigkeit zusammenhängen.

Warum das für Wissenschaft und Lehre wichtig ist

Zusammenfassend zeigt die Arbeit, dass sorgfältiges Design und moderne Kameratechnik den Bau eines kostengünstigen, benutzerfreundlichen Mikroskops ermöglichen, das verbindet, was Zellen tun, mit dem Verhalten ganzer Tiere. Da es auf Standardkomponenten und Open-Source-Software beruht, können Labore und Klassenzimmer ohne eigene Ingenieurressourcen nun komplexe Verhaltensweisen, ökologische Interaktionen und Gangmuster bei Kleintieren untersuchen und gleichzeitig die zugrunde liegende zelluläre Aktivität sichtbar halten.

Zitation: Ramahefarivo, E., Böger, L., Saichol, T. et al. A modular multi-color fluorescence microscope for simultaneous tracking of cellular activity and behavior. Nat Commun 17, 4412 (2026). https://doi.org/10.1038/s41467-026-72710-3

Schlüsselwörter: Fluoreszenzmikroskopie, Verhaltensverfolgung, Kalziumbildgebung, C. elegans, Drosophila-Larven