Un microscope à fluorescence modulaire et multicolore pour le suivi simultané de l’activité cellulaire et du comportement

Observer de minuscules animaux en action

Comment les muscles et les cellules cérébrales coopèrent-ils pendant qu’un animal explore son environnement ? Pour des créatures mesurant seulement quelques millimètres, cette question a été difficile à trancher, car s’approcher suffisamment pour voir les cellules implique généralement de renoncer à une vue d’ensemble du comportement. Cet article présente un microscope simple et abordable qui permet aux scientifiques et aux étudiants d’observer simultanément l’activité cellulaire et les mouvements de tout le corps chez de petits animaux.

Un outil simple construit à partir de pièces standard

Les auteurs décrivent un nouveau microscope de suivi à fluorescence assemblé entièrement à partir de composants commerciaux standard en environ trois heures. Plutôt que de déplacer l’animal sous une lentille fixe, l’ensemble du microscope se déplace sur une platine motorisée tandis que l’arène de l’animal reste immobile. Cette conception réduit les vibrations et facilite l’ajout d’options comme le contrôle de la température ou des sources lumineuses pour la stimulation. En remplaçant quelques éléments optiques, le même système peut passer des modes champ clair, fluorescence monochrome et fluorescence bicolore, et peut effectuer un zoom allant de l’animal entier jusqu’à des neurones isolés.

Un logiciel qui suit l’animal de lui-même

Pour piloter le matériel, l’équipe a développé un programme multiplateforme appelé GlowTracker. Ce logiciel lit les images de la caméra, déplace la platine pour maintenir l’animal dans le champ et effectue un suivi basique en temps réel. Il peut mesurer automatiquement la taille en pixels et l’orientation de la caméra, aligner différentes voies colorées et exécuter de simples routines scriptées. Les tests ont montré que le système peut suivre des animaux sur de grandes plaques pendant des dizaines de minutes à plusieurs heures, avec des fréquences d’images suffisamment élevées pour capter des changements rapides dans l’activité musculaire et nerveuse.

Relier mouvement et activité musculaire

En utilisant des larves de mouche du vinaigre qui rampent via des ondes de contraction musculaire, les chercheurs ont montré comment le microscope relie la posture, la navigation guidée par les odeurs et l’activité musculaire. Les larves ont rampé sur une plaque contenant un gradient d’odeur de vinaigre tandis que leurs muscles brillaient en deux couleurs, l’une rapportant les niveaux de calcium et l’autre servant de référence stable. Le suivi a maintenu chaque larve centrée même lorsqu’elle parcourait des centimètres à travers l’arène. À partir des films bicolores, l’équipe a reconstruit la forme du corps et extrait des motifs d’activation musculaire le long du corps, révélant comment les ondes péristaltiques soutiennent la progression rectiligne et les virages, et permettant de comparer les larves qui ont atteint la source d’odeur et celles qui ne l’ont pas fait.

Jeter un œil aux neurones individuels et aux jeux prédateur-proie

Le même montage, adapté pour une plus grande amplification, a été utilisé pour surveiller des neurones sensibles au toucher chez des nématodes en mouvement libre. Lorsqu’on a légèrement vibré la plaque, un neurone spécifique dans la queue a affiché un signal calcique qui montait et descendait de façons distinctes selon que le ver fuyait vers l’avant ou inversait sa direction, démontrant que le système peut capturer des dynamiques neuronales subtiles en mouvement. Dans une autre série d’expériences, le mode bicolore a suivi des nématodes prédateurs marqués en rouge chassant des proies marquées en vert. Les films ont capturé des séquences de poursuite complètes, et le signal vert autour de la bouche du prédateur a grimpé à chaque morsure et alimentation, confirmant des prédictions de modèles comportementaux antérieurs sur le moment des contacts réels.

Suivre de longs trajets et des animaux non marqués

La conception modulaire permet également des enregistrements d’heure en heure avec une photoblanchiment minimal. Dans un exemple, le microscope a suivi des vers individuels pendant leur recherche de nourriture, enregistrant l’activité des muscles impliqués dans l’alimentation, les inversions et la vitesse sur de grandes distances. En mode champ clair, le même matériel a suivi des tardigrades, ces minuscules « ours d’eau » qui ne sont pas marqués génétiquement. En combinant le suivi avec un logiciel d’estimation de la posture, les auteurs ont analysé les mouvements des pattes sur de longues minutes, mettant au jour différents motifs d’allure et leur relation avec les virages et la vitesse de marche.

Pourquoi cela compte pour la science et l’enseignement

En conclusion, ce travail montre qu’une conception soignée et la technologie moderne des caméras rendent possible la construction d’un microscope peu coûteux et facile d’utilisation reliant l’activité cellulaire au comportement global des animaux. Parce qu’il s’appuie sur des pièces disponibles dans le commerce et un logiciel open source, des laboratoires et des salles de classe sans accès à un ingénierie sur mesure peuvent désormais étudier des comportements complexes, des interactions écologiques et des motifs de locomotion chez de petits animaux tout en observant l’activité cellulaire sous-jacente.

Citation: 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

Mots-clés: microscopie à fluorescence, suivi du comportement, imagerie calcique, C. elegans, larves de Drosophila