Een modulaire multi-kleur fluorescentiemicroscoop voor gelijktijdige opvolging van cellulaire activiteit en gedrag

Kleine dieren in actie bekijken

Hoe werken spieren en hersencellen samen terwijl een dier zijn omgeving verkent? Voor organismen van slechts enkele millimeters lengte is die vraag moeilijk te beantwoorden, omdat dichtbij genoeg komen om cellen te zien vaak betekent dat je het brede beeld van gedrag opgeeft. Dit artikel introduceert een eenvoudige, betaalbare microscoop waarmee wetenschappers en studenten zowel cellulaire activiteit als beweging van het hele lichaam bij kleine dieren gelijktijdig kunnen observeren.

Een eenvoudig instrument opgebouwd uit kant-en-klare onderdelen

De auteurs beschrijven een nieuwe fluorescentie-trackingmicroscoop die volledig is opgebouwd uit standaard commerciële onderdelen in ongeveer drie uur. In plaats van het dier onder een vaste lens te verplaatsen, rijdt de hele microscoop op een gemotoriseerd plateau terwijl de arena van het dier stil blijft staan. Dit ontwerp vermindert trillingen en maakt het eenvoudig om extra’s toe te voegen, zoals temperatuurregeling of lichtbronnen voor stimulatie. Door enkele optische onderdelen te verwisselen, kan hetzelfde systeem schakelen tussen helderveldmicroscopie, enkelkleurige en tweekleurige fluorescentiemodi, en kan het zoomen van hele dieren tot individuele neuronen.

Software die het dier autonoom volgt

Om de hardware te besturen bouwde het team een platformonafhankelijk programma genaamd GlowTracker. Deze software leest beelden van de camera, beweegt het plateau om het dier in beeld te houden en voert basis-tracking in realtime uit. Het kan automatisch pixelgrootte en cameroriëntatie meten, verschillende kleurkanalen uitlijnen en eenvoudige gescripte routines draaien. Tests toonden aan dat het systeem dieren over grote platen kan volgen gedurende tientallen minuten tot uren, met framerates die hoog genoeg zijn om snelle veranderingen in spier- en zenuwactiviteit vast te leggen.

Beweging en spieractiviteit koppelen

Met gebruik van fruitvlieglarven die kruipen door golven van spiercontractie, lieten de onderzoekers zien hoe de microscoop houding, op geur georiënteerde navigatie en spieractiviteit verbindt. Larven kroop over een plaat met een azijngeurgradiënt terwijl hun spieren in twee kleuren oplichtten, één die calciumniveaus rapporteerde en één die een stabiele referentie gaf. De tracking hield elke larve gecentreerd terwijl deze centimeters over de arena trok. Uit de tweekleurige films reconstrueerde het team de lichaamsvorm en extraheerde patronen van spieractivatie langs het lichaam, wat onthulde hoe peristaltische golven recht kruipen en draaien ondersteunen, en waarmee vergelijkingen mogelijk waren tussen larven die succesvol de geurlocatie bereikten en degenen die dat niet deden.

Een blik in individuele neuronen en roofdier-prooispellen

Dezelfde opstelling, aangepast voor hogere vergroting, werd gebruikt om individuele tikgevoelige neuronen te monitoren in vrij bewegende rondwormen. Wanneer de plaat zachtjes werd geprikkeld door vibratie, toonde een specifieke neuron in de staart een calciumsignaal dat op distinctieve manieren steeg en daalde, afhankelijk van of de worm naar voren vluchtte of van richting veranderde, wat aantoont dat het systeem subtiele neurale dynamiek in beweging kan vastleggen. In een andere reeks experimenten volgde de tweekleurmodus roodgelabelde predatore nematoden die groen gelabelde prooi achtervolgden. De films legden volledige achtervolgingssequenties vast, en het groene signaal rond de mond van de predator piekte telkens wanneer deze beet en voedde, waarmee eerdere voorspellingen uit gedragsmodellen over echte contactmomenten werden bevestigd.

Langdurige tochten en niet-gelabelde dieren volgen

Het modulaire ontwerp maakt ook urenlange opnames mogelijk met minimale vervaging van fluorescentie. In één voorbeeld volgde de microscoop individuele wormen tijdens foerageren, waarbij voedingsspieractiviteit, omkeringen en snelheid over grote afstanden werden vastgelegd. In helderveldmode volgde dezelfde hardware tardigraden, kleine ‘waterbeertjes’ die niet genetisch zijn gelabeld. Door tracking te combineren met houdingsschattende software analyseerden de auteurs pootbewegingen over vele minuten, waarmee verschillende gangpatronen werden onthuld en hoe deze samenhangen met draaien en loopsnelheid.

Waarom dit belangrijk is voor wetenschap en onderwijs

Samengevat laat dit werk zien dat zorgvuldig ontwerp en moderne cameraprocessoren het mogelijk maken een goedkope, gebruiksvriendelijke microscoop te bouwen die laat zien wat cellen doen en hoe hele dieren zich gedragen. Omdat het steunt op kant-en-klare onderdelen en open-source software, kunnen laboratoria en klaslokalen zonder toegang tot aangepaste engineering nu complexe gedragingen, ecologische interacties en gangpatronen bij kleine dieren bestuderen terwijl ze de onderliggende cellulaire activiteit blijven zien.

Bronvermelding: 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

Trefwoorden: fluorescentiemicroscopie, gedragstracking, calciumimaging, C. elegans, Drosophila-larven