一种用于在自由活动的秀丽隐杆线虫中同时观察自然行为与细胞活动的上位荧光显微镜设计

观察微小线虫的自然生活

要理解大脑如何控制行为，科学家需要在动物自然移动时看到神经细胞在做什么，而不仅仅是在被固定在沉重显微镜下时。本研究介绍了 Wormspy，一种简单、低成本的显微镜与软件系统，允许研究者在微小线虫自由活动时同时观察其运动和细胞内部的发光活动，从而实时揭示神经系统如何工作。

在脑研究中承担重要角色的小动物

这项工作以秀丽隐杆线虫为中心，这种毫米级的土壤线虫已成为生物学实验室中的宠儿。它们几乎半透明、且细胞数固定，使得在不同个体间跟踪特定肌肉和神经元成为可能。通过工程改造使特定细胞在钙浓度变化时发光，研究者可以用光学方法监测这些细胞何时被激活。然而，直到现在，在动物自由移动时实现这种观察通常要么依赖昂贵的定制显微镜，要么牺牲其自然行为的丰富性。

用于在移动线虫体内追踪光信号的小巧工具

Wormspy 的设计旨在弥补这一差距。系统不是在固定物镜下移动盛有线虫的平板，而是移动显微镜本体以穿越稳定的活动场地，这样能为动物保持较低的振动。单个物镜同时收集两类图像：一个通道记录线虫的轮廓与姿态，另一个通道记录细胞内荧光指示器的变化发光。现成的相机、光源和电动平台由开源软件控制，该软件可以运行不同的追踪模式，从简单的亮度阈值到先进的计算机视觉，同时自动对焦功能在线虫爬行时保持图像清晰。

观察肌肉、感受器与精细动作细节

作者通过将该系统应用于线虫神经科学中的若干经典问题，证明了它不仅仅是一个巧妙的装置。首先，他们记录了线虫爬行时体壁肌肉的发光情况，并将正常个体与具有已知运动缺陷的突变体进行比较。Wormspy 捕捉到沿体轴的节律性肌肉激活波，并确认突变体弯曲更深且运动模式更慢、更改变。接着，团队关注一类称为 ASH 的单个痛觉神经元，当线虫遇到一圈盐甘油时的反应。通过同时记录绿色与红色信号并校正运动伪影，他们观察到该神经元的活动在逃逸反转发生之前及其期间升高，这与在受限动物中得到的早期结果一致。

追踪食物线索与细微神经信号

Wormspy 也能处理更具挑战性的场景，例如线虫在作为食物的一片细菌上爬行。在这个凹凸不平、视觉上杂乱的表面上，系统仍能追踪一种称为 AWCON 的嗅觉感受神经元，显示当线虫的鼻子离开食物时，该神经元的活动会增加，这与动物在食物稀缺时搜索行为的理论相符。最后，研究者进一步提升分辨率，测量单个中间神经元轴突不同段落中微小、局部的钙激增，同时线虫左右摆动头部。他们发现这些信号与头部弯曲的方向和速度紧密相关，且在时序上不同于在被固定的线虫中测得的结果，凸显了研究真实自由运动的价值。

降低观察运动中大脑的门槛

综上所述，这些演示表明 Wormspy 能在不依赖昂贵商业显微镜或复杂定制分析的情况下，将细胞级活动与自然行为联系起来。由于设计模块化、开源且由标准部件构成，其他实验室可以将其改装用于不同的荧光标记、基于光的刺激方法，甚至用于其他小型动物如果蝇幼虫。对非专业人士来说，关键信息是像 Wormspy 这样的工具让世界各地的研究者更容易在动物按其自然方式行为时观察活体神经系统的工作，帮助我们更接近理解微小大脑内部的活动如何产生我们在外部看到的丰富动作。

引用: 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

关键词: 秀丽隐杆线虫, 钙成像, 开源显微镜, 神经活动, 自由活动行为