Un microscope épifluorescent pour observer le comportement naturaliste et l’activité cellulaire de Caenorhabditis elegans en mouvement libre

Observer de minuscules vers dans leur vie normale

Pour comprendre comment les cerveaux contrôlent le comportement, les scientifiques doivent voir ce que font les cellules nerveuses pendant que l’animal se déplace naturellement, et pas seulement lorsqu’il est immobilisé sous un microscope lourd. Cette étude présente Wormspy, un système de microscope et de logiciel simple et peu coûteux qui permet aux chercheurs de surveiller à la fois les déplacements et l’activité lumineuse des cellules à l’intérieur de minuscules nématodes alors qu’ils se déplacent librement, offrant une fenêtre sur le fonctionnement des systèmes nerveux en temps réel.

Un petit animal au grand rôle dans la recherche cérébrale

Le travail porte sur Caenorhabditis elegans, un ver terrestre long d’un millimètre qui est devenu un modèle privilégié dans les laboratoires de biologie. Ces vers sont presque transparents et possèdent un jeu de cellules fixe, ce qui permet de suivre des muscles et des neurones individuels d’un animal à l’autre. En modifiant génétiquement les vers pour que des cellules spécifiques s’illuminent lorsque les niveaux de calcium changent, les chercheurs peuvent utiliser la lumière pour surveiller quand ces cellules s’activent. Jusqu’à présent, toutefois, réaliser cela pendant que les vers se déplacent librement exigeait généralement des microscopes personnalisés coûteux ou se faisait au prix de la richesse de leur comportement naturel.

Un outil compact pour suivre la lumière à l’intérieur de vers en mouvement

Wormspy a été conçu pour combler cette lacune. Plutôt que de faire glisser la plaque contenant les vers sous une lentille fixe, le système déplace le microscope lui-même au-dessus d’une arène stable, ce qui limite les vibrations pour l’animal. Une lentille objective unique collecte deux types d’images simultanément : un canal enregistre le contour et la posture du ver, et un autre enregistre la variation de la fluorescence des indicateurs à l’intérieur des cellules. Des caméras, sources lumineuses et tables motorisées disponibles dans le commerce sont commandées par un logiciel open source qui peut exécuter différents modes de suivi, depuis des seuils de luminosité simples jusqu’à la vision par ordinateur avancée, tandis qu’une fonction d’autofocus maintient l’image nette pendant que le ver rampe.

Voir les muscles, les sens et les détails fins en action

Les auteurs montrent que ce dispositif est plus qu’un gadget ingénieux en l’appliquant à plusieurs questions classiques de la neuroscience chez le ver. D’abord, ils ont enregistré l’illumination des muscles pariétaux pendant la progression des vers, en comparant des animaux normaux à des mutants présentant un défaut de mouvement connu. Wormspy a capturé des vagues rythmiques d’activation musculaire le long du corps et a confirmé que les mutants se courbent davantage et se déplacent avec des schémas plus lents et altérés. Ensuite, l’équipe s’est concentrée sur un neurone sensible à la douleur appelé ASH lorsque les vers ont rencontré un anneau de glycérine salée. En enregistrant les signaux vert et rouge simultanément et en corrigeant le mouvement, ils ont observé que l’activité de ce neurone augmentait juste avant et pendant les renversements d’évasion des vers, concordant avec des travaux antérieurs réalisés sur des animaux immobilisés.

Suivre des indices alimentaires et des signaux nerveux à l’échelle fine

Wormspy a également géré des scènes plus complexes, comme des vers rampants sur une plaque de bactéries servant de nourriture. Sur cette surface irrégulière et visuellement encombrée, le système a tout de même suivi un neurone détecteur d’odeurs appelé AWCON, révélant que son activité augmente lorsque le nez du ver quitte la nourriture, en accord avec les théories sur la manière dont les animaux cherchent lorsque la nourriture devient rare. Enfin, les chercheurs ont poussé la résolution plus loin en mesurant de petites rafales calciques localisées dans différents segments de l’axone d’un seul interneur pendant que le ver bougeait sa tête d’un côté à l’autre. Ils ont trouvé que ces signaux étaient étroitement liés à la direction et à la vitesse des flexions de la tête, et différaient dans leur chronologie par rapport aux mesures prises sur des vers immobilisés, soulignant l’intérêt d’étudier des mouvements réellement libres.

Réduire les barrières pour observer les cerveaux en mouvement

Pris ensemble, ces démonstrations montrent que Wormspy peut relier l’activité cellulaire détaillée au comportement naturel sans microscopes commerciaux coûteux ni analyses personnalisées complexes. Parce que le design est modulaire, ouvert et construit à partir de pièces standard, d’autres laboratoires peuvent l’adapter à différents marqueurs fluorescents, méthodes de stimulation basées sur la lumière, ou même à d’autres petits animaux tels que les larves de Drosophile. Pour les non-spécialistes, le message principal est que des outils comme Wormspy facilitent l’accès des chercheurs du monde entier à l’observation des systèmes nerveux vivants en action pendant que les animaux se comportent normalement, nous rapprochant de la compréhension de la manière dont les schémas d’activité à l’intérieur de petits cerveaux génèrent les actions riches que nous observons à l’extérieur.

Citation: 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

Mots-clés: Caenorhabditis elegans, imagerie calcique, microscope open source, activité neuronale, comportement en liberté