自由に動くCaenorhabditis elegansの自然行動と細胞活動を観察するエピ蛍光顕微鏡の設計

小さな線虫が自然のままに生きる様子を観る

脳が行動をどう制御するかを理解するには、動物を固定した状態ではなく自然に動いている間の神経細胞の働きを観察する必要があります。本研究ではWormspyを導入します。Wormspyはシンプルで低コストの顕微鏡とソフトウェアのシステムで、研究者が小さな丸い線虫の自然な徘徊中に、その動きと体内細胞の発光活動の両方を同時に観察できるようにし、神経系がリアルタイムでどのように機能するかを覗き見できます。

脳研究で重要な小さな動物

本研究はミリ単位の土壌性線虫Caenorhabditis elegansに焦点を当てています。これらの線虫はほぼ透明で細胞数が固定されているため、個々の筋肉やニューロンを異なる個体間で追跡できます。特定の細胞がカルシウム濃度の変化に応じて蛍光で光るように遺伝子改変することで、光を用いて細胞の活動時刻を監視できます。しかしこれまでは、線虫が自由に動く状態でこれを行うには高価なカスタム顕微鏡が必要だったり、自然な行動の豊かさを犠牲にしたりすることが多くありました。

動く線虫内部の光を追うコンパクトな装置

Wormspyはそのギャップを埋めるよう設計されています。固定レンズの下でプレートを動かす代わりに、安定したアリーナの上を顕微鏡本体ごと移動させる方式を採り、動物への振動を抑えます。単一の対物レンズで二種類の画像を同時に収集できます：一方のチャンネルは線虫の輪郭と姿勢を記録し、もう一方は細胞内の蛍光指標の変化する発光を記録します。市販のカメラ、光源、モータ化ステージをオープンソースソフトで制御し、単純な輝度閾値から高度なコンピュータビジョンまでさまざまな追跡モードを動作させられます。オートフォーカス機能により線虫が這う間もピントが合った画像を維持します。

筋肉、感覚、微細な変化を実際に見る

著者らはこの装置が単なる巧妙なガジェット以上であることを、線虫神経科学の古典的な問いに適用することで示しました。まず、通常個体と既知の運動欠損を持つ変異体を比較して、線虫がはい回る際の体壁筋の発光を記録しました。Wormspyは体に沿ったリズミカルな筋活動の波を捉え、変異体がより深く曲がり、遅く変化した運動パターンを示すことを確認しました。次に、塩性のグリセロールのリングに遭遇した際の痛み感覚ニューロンASHに注目しました。緑と赤の信号を同時に記録し運動補正を行うことで、線虫の逃避の反転が始まる直前とその間にそのニューロンの活動が上昇することを観測し、固定された個体での過去の結果と一致しました。

食物手がかりと細かい神経信号を追跡する

Wormspyは、餌となる細菌の塊の上をはい回る線虫のような、より挑戦的なシーンでも対応しました。このでこぼこで視覚的に雑多な表面でも、システムはにおいを感知するニューロンAWCONを追跡し、線虫の口先が餌を離れたときにその活動が上昇することを明らかにしました。これは餌が少なくなったときに動物がどのように探索するかに関する理論と一致します。最後に、研究者らは分解能をさらに押し上げ、線虫が左右に首を振る際に単一の介在ニューロンの軸索の異なるセグメント内で発生する微小で局所的なカルシウムバーストを測定しました。これらの信号は頭の曲がりの方向と速度に密接に結びつき、固定個体での測定とはタイミングが異なっており、本当に自由な運動を研究することの価値を強調しています。

動く脳を観るための障壁を下げる

これらのデモンストレーションを総合すると、Wormspyは高価な市販顕微鏡や複雑な専用解析を必要とせずに、詳細な細胞活動を自然な行動に結びつけられることを示しています。設計がモジュール式でオープン、かつ標準部品で構成されているため、他の研究室は異なる蛍光マーカー、光刺激法、あるいはショウジョウバエ幼虫など他の小動物に応用することができます。専門外の人への要点は、Wormspyのようなツールによって世界中の研究者が動物が通常通りに振る舞う間に生きた神経系の働きを観察しやすくなり、小さな脳内部の活動パターンが外側に現れる豊かな行動をどのように生み出すかに一歩近づけることです。

引用: 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

キーワード: Caenorhabditis elegans, カルシウムイメージング, オープンソース顕微鏡, 神経活動, 自由行動