Projekt mikroskopu epifluorescencyjnego do badania naturalnego zachowania i aktywności komórkowej u swobodnie poruszających się Caenorhabditis elegans

Obserwowanie małych robaków prowadzących normalne życie

Aby zrozumieć, jak mózgi kontrolują zachowanie, naukowcy muszą widzieć, co robią komórki nerwowe, podczas gdy zwierzę porusza się naturalnie, a nie tylko wtedy, gdy jest unieruchomione pod ciężkim mikroskopem. W tym badaniu przedstawiono Wormspy — prosty, niedrogi system mikroskopowy i programowy, który pozwala badaczom obserwować zarówno ruchy, jak i fluorescencyjną aktywność komórek wewnątrz maleńkich nicieni poruszających się swobodnie, oferując wgląd w działanie układów nerwowych w czasie rzeczywistym.

Małe zwierzę, wielka rola w badaniach mózgu

Praca koncentruje się na Caenorhabditis elegans, milimetrowej długości robaku glebowym, który stał się ulubieńcem laboratoriów biologicznych. Robaki te są niemal przezroczyste i mają stały zestaw komórek, co umożliwia śledzenie pojedynczych mięśni i neuronów w różnych osobnikach. Poprzez inżynierię genetyczną tak, by określone komórki świeciły przy zmianach stężenia wapnia, badacze mogą używać światła do monitorowania, kiedy te komórki stają się aktywne. Do tej pory jednak wykonywanie takich obserwacji podczas swobodnego ruchu zwykle wymagało kosztownych, niestandardowych mikroskopów albo rezygnacji z naturalnej złożoności zachowania.

Kompaktowe narzędzie do śledzenia światła wewnątrz ruchomych robaków

Wormspy został zaprojektowany, by zamknąć tę lukę. Zamiast przesuwać płytkę z robakami pod nieruchomą soczewką, system porusza sam mikroskop nad stabilnym areną, co utrzymuje niskie wibracje dla zwierzęcia. Jedno obiektyw zbiera jednocześnie dwa rodzaje obrazów: jeden kanał rejestruje zarys i postawę robaka, a drugi — zmieniający się fluorescencyjny blask wskaźników wewnątrz komórek. Gotowe kamery, źródła światła i zautomatyzowane stoliki są sterowane przez oprogramowanie open-source, które może pracować w różnych trybach śledzenia — od prostych progów jasności po zaawansowaną wizję komputerową — a funkcja autofokusa utrzymuje ostrość obrazu, gdy robak pełza.

Obserwacja mięśni, zmysłów i drobnych szczegółów w akcji

Autorzy pokazują, że ten układ to coś więcej niż sprytny gadżet, stosując go do kilku klasycznych pytań w neurobiologii robaków. Najpierw zarejestrowali, jak mięśnie ściany ciała rozświetlają się podczas pełzania, porównując zwykłe osobniki z mutantami o znanym defekcie ruchu. Wormspy wychwycił rytmiczne fale aktywacji mięśni wzdłuż ciała i potwierdził, że mutanci zginały się głębiej i poruszały się wolniej w zmieniony sposób. Następnie zespół skupił się na pojedynczym neuronie czuciowym bólu zwanym ASH, gdy robaki napotykały pierścień słonego glicerolu. Rejestrując sygnały zielone i czerwone jednocześnie oraz korygując ruch, zaobserwowali wzrost aktywności tego neuronu tuż przed i podczas ucieczkowych odwróceń ruchu robaków, co odpowiada wcześniejszym badaniom prowadzonym na unieruchomionych zwierzętach.

Śledzenie sygnałów związanych z pokarmem i sygnałów nerwowych o drobnej skali

Wormspy poradził sobie także z trudniejszymi scenami, takimi jak robaki pełzające po plamie bakterii stanowiącej pożywienie. Na tej nierównomiernej, wizualnie zagraconej powierzchni system nadal śledził neuron węchowy zwany AWCON, ujawniając, że jego aktywność wzrasta, gdy nos robaka opuszcza pokarm — zgodnie z teoriami o tym, jak zwierzęta poszukują pokarmu, gdy staje się on rzadki. Wreszcie badacze przesunęli rozdzielczość dalej, mierząc drobne, lokalne wybuchy wapniowe w różnych segmentach aksonu pojedynczego interneuronu, podczas gdy robak kołysał głową w bok. Odkryli, że te sygnały były ściśle powiązane z kierunkiem i prędkością zgięć głowy i różniły się w czasie od pomiarów wykonanych na unieruchomionych robakach, podkreślając wartość badania naprawdę swobodnego ruchu.

Obniżanie barier w obserwowaniu mózgów w ruchu

W sumie te demonstracje pokazują, że Wormspy może łączyć szczegółową aktywność komórek z naturalnym zachowaniem bez drogich, komercyjnych mikroskopów czy złożonej, niestandardowej analizy. Ponieważ projekt jest modułowy, otwarty i zbudowany z standardowych części, inne laboratoria mogą go dostosować do różnych markerów fluorescencyjnych, metod stymulacji opartych na świetle, a nawet innych małych zwierząt, takich jak larwy muszek. Dla niespecjalistów kluczowy przekaz jest taki, że narzędzia pokroju Wormspy ułatwiają badaczom na całym świecie obserwowanie żywych układów nerwowych w działaniu, podczas gdy zwierzęta zachowują się naturalnie, przybliżając nas do zrozumienia, jak wzorce aktywności w maleńkich mózgach tworzą bogate działania widoczne na zewnątrz.

Cytowanie: 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

Słowa kluczowe: Caenorhabditis elegans, obrazowanie wapniowe, otwartoźródłowy mikroskop, aktywność neuronalna, swobodnie poruszające się zachowanie