Модульный многоканальный флуоресцентный микроскоп для одновременного отслеживания клеточной активности и поведения

Наблюдение за крошечными животными в действии

Как мышцы и клетки мозга работают вместе, когда животное исследует окружающий мир? Для существ длиной всего в несколько миллиметров ответить на этот вопрос было сложно: чтобы приблизиться и рассмотреть клетки, обычно приходилось жертвовать широким обзором поведения. В этой статье представлен простой и доступный микроскоп, который позволяет ученым и студентам одновременно наблюдать и клеточную активность, и движения всего тела у мелких животных.

Простой инструмент из готовых деталей

Авторы описывают новый флуоресцентный трекинговый микроскоп, который собирается полностью из стандартных коммерческих компонентов примерно за три часа. Вместо того чтобы перемещать животное под фиксированным объективом, весь микроскоп располагается на моторизованной платформе, а арена животного остаётся неподвижной. Такая конструкция снижает вибрации и облегчает добавление дополнительных модулей, например управления температурой или источников света для стимуляции. Путём замены нескольких оптических элементов та же система может переключаться между режимами яркостной съёмки, одноцветной и двухцветной флуоресцентной съёмки и масштабироваться от съёмки целого животного до отдельных нейронов.

Программа, которая сама следует за животным

Для управления аппаратурой команда создала кроссплатформенное приложение под названием GlowTracker. Это программное обеспечение считывает изображения с камеры, перемещает платформу, чтобы удерживать животное в кадре, и выполняет базовое отслеживание в реальном времени. Оно может автоматически измерять размер пикселя и ориентацию камеры, выравнивать разные цветовые каналы и запускать простые скриптовые процедуры. Тесты показали, что система способна следить за животными по большим пластинам в течение десятков минут и часов с частотами кадров, достаточными для улавливания быстрых изменений в активности мышц и нервов.

Связь между движением и мышечной активностью

Используя личинки плодовой мушки, которые ползают волнами мышечных сокращений, исследователи показали, как микроскоп соотносит позу, навигацию по запаху и мышечную активность. Личинки ползли по пластине с градиентом запаха уксуса, а их мышцы светились в двух цветах: один канал сообщал об уровнях кальция, другой служил стабильным эталоном. Трекинг удерживал каждую личинку в центре кадра, даже когда она перемещалась на сантиметры по арене. По двухцветным фильмам команда реконструировала форму тела и извлекла шаблоны мышечной активации вдоль тела, выявив, как перистальтические волны обеспечивают прямое ползание и развороты, а также позволив сравнить личинок, которые успешно достигли источника запаха, с теми, кто не добрался.

Заглядывая в отдельные нейроны и игры хищник‑жертва

Та же установка, настроенная на более высокое увеличение, использовалась для наблюдения отдельных сенсорных нейронов у свободно движущихся нематод. При мягкой вибрации пластины определённый нейрон в хвостовой части показывал кальциевый сигнал с различающейся динамикой в зависимости от того, убегала ли червь вперёд или разворачивалась в обратном направлении, демонстрируя, что система способна фиксировать тонкие нейронные динамики в движении. В другой серии экспериментов двухцветный режим отслеживал помеченных красным хищных нематод, охотящихся на помеченную зелёным жертву. Фильмы зафиксировали полные сцены погони, и зелёный сигнал вокруг рта хищника резко возрастал всякий раз, когда он кусал и питался, подтверждая предсказания ранних моделей поведения о моментах реального контакта.

Отслеживание долгих перемещений и немеченых животных

Модульная конструкция также позволяет вести часовые записи с минимальным выцветанием флуоресценции. В одном примере микроскоп сопровождал отдельных червей во время поиска пищи, записывая активность мышц при кормлении, развороты и скорость на больших дистанциях. В режиме яркостной съёмки та же аппаратура отслеживала тихоходок, крошечных «водяных медвежат», которые не генетически помечены. Комбинируя трекинг с программами для оценки позы, авторы проанализировали движения ног в течение многих минут, выявив различные модели походки и их связь с разворотами и скоростью ходьбы.

Почему это важно для науки и обучения

В заключение, работа показывает, что продуманная конструкция и современные камеры делают возможным создание недорогого и простого в использовании микроскопа, связывающего поведение целых животных с тем, что делают их клетки. Поскольку он опирается на готовые коммерческие детали и программное обеспечение с открытым исходным кодом, лаборатории и учебные классы без доступа к специализированной инженерии теперь могут изучать сложное поведение, экологические взаимодействия и модели походки у мелких животных, одновременно видя лежащую в основе клеточную активность.

Цитирование: 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

Ключевые слова: флуоресцентная микроскопия, трекер поведения, кальциевая визуализация, C. elegans, личинки Drosophila