Дизайн эпифлуоресцентного микроскопа для естественного поведения и клеточной активности у свободно движущихся Caenorhabditis elegans

Наблюдение за крошечными червями в их естественной среде

Чтобы понять, как мозг управляет поведением, учёным нужно видеть, что делают нервные клетки, пока животное движется естественно, а не только когда его фиксируют под тяжёлым микроскопом. В этом исследовании представлен Wormspy — простой, недорогой микроскоп и программная система, позволяющие исследователям одновременно наблюдать движения и светящуюся активность клеток внутри крошечных круглых червей, свободно ползающих по площадке, что открывает окно в работу нервной системы в реальном времени.

Маленькое животное с большой ролью в нейробиологии

Работа посвящена Caenorhabditis elegans — миллиметровой почвенной нематоде, ставшей любимицей биологических лабораторий. Эти черви почти прозрачны и имеют фиксированное число клеток, что позволяет отслеживать отдельные мышцы и нейроны в разных особях. Путём генетической модификации путём введения индикаторов, клетки начинают светиться при изменении уровня кальция, и с помощью света можно мониторить, когда эти клетки активируются. До сих пор же наблюдение за такими процессами при свободном движении червей обычно требовало дорогостоящих специализированных микроскопов или жертвовало естественной полнотой их поведения.

Компактный инструмент для отслеживания света внутри движущихся червей

Wormspy призван устранить этот разрыв. Вместо того чтобы перемещать пластинку с червём под фиксированной оптикой, система перемещает сам микроскоп по стабильной арене, что снижает вибрации для животного. Одна объективная линза одновременно собирает два типа изображений: один канал фиксирует контур и позу червя, другой — меняющееся свечение флуоресцентных индикаторов внутри клеток. Коммерчески доступные камеры, источники света и моторизованные столы управляются открытым программным обеспечением, которое может работать в разных режимах отслеживания — от простых порогов яркости до продвинутого компьютерного зрения, а функция автофокусировки сохраняет чёткость изображения по мере ползания червя.

Видеть мышцы, органы чувств и мелкие детали в действии

Авторы показывают, что эта установка — не просто хитрая игрушка, применив её к нескольким классическим вопросам нейронауки на червях. Сначала они записывали, как светятся мышцы телесной стенки при ползании, сравнивая нормальных особей и мутантов с известным дефектом движения. Wormspy зафиксировал ритмические волны активации мышц вдоль тела и подтвердил, что у мутантов изгибы глубже, а движения медленнее и искажены. Затем команда сосредоточилась на отдельном ноцицептивном нейроне ASH, когда черви сталкивались с кольцом солёного глицерина. Записывая зелёный и красный сигналы одновременно и корректируя движение, они обнаружили, что активность нейрона возрастает незадолго до и во время разворотов-эскапов, согласуясь с ранними работами на закреплённых животных.

Отслеживание пищевых сигналов и тонких нервных паттернов

Wormspy успешно справлялся и с более сложными сценами, например с червями, ползающими по колонии бактерий, служащей пищей. На этой неровной, визуально загруженной поверхности система продолжала отслеживать нейрон, отвечающий за восприятие запахов, AWCON, показав, что его активность растёт, когда нос червя покидает пищу — что согласуется с теориями о том, как животные ищут пищу при её уменьшении. Наконец, исследователи повысили разрешение, измеряя крошечные локализованные всплески кальция в разных сегментах аксона одного интернейрона, пока червь раскачивал голову из стороны в сторону. Они обнаружили, что эти сигналы тесно связаны с направлением и скоростью сгибов головы и отличаются по времени от измерений, сделанных в обездвиженных червях, подчёркивая ценность изучения действительно свободного движения.

Снижение барьеров для наблюдения за мозгом в движении

В сумме эти демонстрации показывают, что Wormspy способен связать детальную клеточную активность с естественным поведением без дорогостоящих коммерческих микроскопов или сложного кастомного анализа. Поскольку дизайн модульный, открытый и собран из стандартных деталей, другие лаборатории могут адаптировать его для разных флуоресцентных маркеров, методов световой стимуляции или даже для других мелких животных, таких как личинки мух. Для неспециалистов ключевая мысль такова: инструменты вроде Wormspy упрощают исследователям по всему миру наблюдение за работающими живыми нервными системами в условиях естественного поведения, приближая нас к пониманию того, как узоры активности внутри крошечных мозгов создают богатое наружное поведение.

Цитирование: 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

Ключевые слова: Caenorhabditis elegans, кальциевая визуализация, открытый микроскоп, нейронная активность, свободное поведение