Modularny mikroskop fluorescencyjny wielobarwny do równoczesnego śledzenia aktywności komórkowej i zachowania

Obserwowanie małych zwierząt w akcji

Jak współdziałają mięśnie i komórki mózgowe, gdy zwierzę eksploruje swoje otoczenie? Dla organizmów o długości zaledwie kilku milimetrów to pytanie było trudne do rozstrzygnięcia, ponieważ zbliżenie się na tyle, by zobaczyć komórki, zwykle oznacza rezygnację z szerokiego widoku zachowania. W tym artykule przedstawiono prosty, przystępny cenowo mikroskop, który pozwala badaczom i studentom jednocześnie obserwować aktywność komórkową i ruch całego ciała u małych zwierząt.

Proste narzędzie z gotowych części

Autorzy opisują nowy mikroskop śledzący fluorescencyjny, złożony w całości z standardowych komponentów komercyjnych w czasie około trzech godzin. Zamiast przesuwać zwierzę pod stałą soczewką, cały mikroskop porusza się na zmotoryzowanej platformie, podczas gdy arena zwierzęcia pozostaje nieruchoma. To rozwiązanie zmniejsza drgania i ułatwia dodawanie rozszerzeń, takich jak kontrola temperatury czy źródła światła do stymulacji. Poprzez wymianę kilku elementów optycznych ten sam system może przełączać się między trybami brightfield, jednego koloru i dwukolorowej fluorescencji oraz może powiększać od całych zwierząt aż do pojedynczych neuronów.

Oprogramowanie, które samo podąża za zwierzęciem

Aby sterować sprzętem, zespół stworzył wieloplatformowy program o nazwie GlowTracker. Oprogramowanie odczytuje obrazy z kamery, porusza platformą, aby utrzymać zwierzę w polu widzenia, i wykonuje podstawowe śledzenie w czasie rzeczywistym. Może automatycznie mierzyć rozmiar piksela i orientację kamery, wyrównywać różne kanały kolorystyczne i uruchamiać proste skryptowane procedury. Testy wykazały, że system potrafi śledzić zwierzęta na dużych płytkach przez dziesiątki minut do godzin, z częstotliwością klatek wystarczająco wysoką, by uchwycić szybkie zmiany w aktywności mięśni i nerwów.

Łączenie ruchu z aktywnością mięśni

Na przykładzie larw muszki owocowej, które pełzają przy użyciu fal skurczów mięśni, badacze pokazali, jak mikroskop łączy postawę ciała, nawigację naprowadzoną zapachem i aktywność mięśni. Larwy pełzały po płytce zawierającej gradient zapachu octu, podczas gdy ich mięśnie świeciły w dwóch kolorach — jeden raportował poziomy wapnia, drugi stanowił stabilny punkt odniesienia. Śledzenie utrzymywało każdą larwę w centrum kadru, nawet gdy przemieszczała się na centymetry po arenie. Z dwukolorowych filmów zespół odtworzył kształt ciała i wyekstrahował wzory aktywacji mięśni wzdłuż ciała, ujawniając, jak fale perystaltyczne wspierają proste przemieszczanie i skręcanie oraz umożliwiając porównania między larwami, które dotarły do źródła zapachu, i tymi, którym się to nie powiodło.

Zaglądanie do pojedynczych neuronów i gry drapieżnik-ofiara

Ten sam układ, dostosowany do wyższego powiększenia, wykorzystano do monitorowania pojedynczych neuronów wrażliwych na dotyk u swobodnie poruszających się nicieni. Gdy płytka była delikatnie wibrowana, konkretny neuron w ogonie wykazywał sygnał wapniowy, który narastał i malał w odmienny sposób w zależności od tego, czy robak uciekał do przodu, czy zawracał, co pokazuje, że system potrafi uchwycić subtelne dynamiki neuronalne w ruchu. W innym zestawie eksperymentów tryb dwukolorowy śledził czerwono znakowane drapieżne nicienie polujące na zielono znakowane ofiary. Filmy uchwyciły pełne sekwencje pościgów, a zielony sygnał wokół pyska drapieżnika skakał za każdym razem, gdy ugryzł i karmił się, potwierdzając przewidywania wcześniejszych modeli zachowania dotyczące momentów rzeczywistego kontaktu.

Śledzenie długich podróży i nielabelowanych zwierząt

Modułowa konstrukcja umożliwia także nagrania trwające godzinami przy minimalnym blaknięciu fluorescencji. W jednym przykładzie mikroskop podążał za pojedynczymi nicieniami podczas żerowania, rejestrując aktywność mięśni związanych z karmieniem, zawracanie i prędkość na dużych dystansach. W trybie brightfield ten sam sprzęt śledził tardigrady, maleńkie „niedźwiadki wodne”, które nie są genetycznie znakowane. Poprzez połączenie śledzenia z oprogramowaniem do estymacji pozy autorzy analizowali ruchy odnóży przez wiele minut, odkrywając różne wzorce chodu i ich związek ze skręcaniem oraz prędkością poruszania się.

Dlaczego to ma znaczenie dla nauki i nauczania

Podsumowując, praca pokazuje, że staranne projektowanie i nowoczesna technologia kamer umożliwiają zbudowanie niskokosztowego, łatwego w użyciu mikroskopu łączącego aktywność komórek z zachowaniem całego organizmu. Ponieważ opiera się na gotowych częściach i oprogramowaniu open-source, laboratoria i sale dydaktyczne bez dostępu do specjalistycznej inżynierii mogą teraz badać złożone zachowania, interakcje ekologiczne i wzorce chodu u małych zwierząt, jednocześnie obserwując leżącą u ich podstaw aktywność komórkową.

Cytowanie: 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

Słowa kluczowe: mikroskopia fluorescencyjna, śledzenie zachowania, obrazowanie wapnia, C. elegans, larwy Drosophila