一种用于同时追踪细胞活动与行为的模块化多色荧光显微镜

观察微小动物的行动

当动物探索其环境时，肌肉与脑细胞如何协同工作？对于只有几毫米长的生物，这个问题一直难以回答，因为要靠得足够近以看到细胞，通常就得牺牲对整体行为的广视野。本文介绍了一种简单且经济的显微镜，能够让科学家和学生同时观察微小动物的细胞活动与整体现象学运动。

由现成部件组装的简单工具

作者描述了一种新的荧光追踪显微镜，完全由标准商业组件组装而成，耗时约三小时。与将动物放在固定物镜下移动不同，整个显微镜安装在电动平台上移动，而动物的实验区域保持静止。这一设计减少了震动，并便于添加诸如温度控制或用于刺激的光源等额外组件。通过更换几件光学元件，同一系统可在明场、单色和双色荧光模式之间切换，并能从观察整只动物放大到单个神经元水平。

能自主跟随动物的软件

为控制硬件，团队开发了一个跨平台程序，名为 GlowTracker。该软件读取相机图像、移动平台以保持动物在视野中，并实时执行基本追踪。它可以自动测量像素大小和相机方向、对齐不同颜色通道并运行简单的脚本化例程。测试显示，该系统能够在大培养皿上追踪动物数十分钟到数小时，帧率足够高以捕捉肌肉和神经活动的快速变化。

将运动与肌肉活动联系起来

利用通过肌肉收缩波爬行的果蝇幼虫，研究人员展示了显微镜如何将姿态、气味驱动的导航与肌肉活动联系起来。幼虫在含有醋酸气味梯度的平板上爬行，其肌肉以两种颜色发光，一种报告钙水平，另一种提供稳定参考。即便幼虫在培养皿中游走了数厘米，追踪仍将其保持在画面中央。从双色电影中，团队重建了体形并提取了沿体轴的肌肉激活模式，揭示了蠕动波如何支持直线爬行与转弯，并可比较成功抵达气味源与未抵达幼虫之间的差异。

窥探单个神经元与捕食者-猎物博弈

同一系统在调高放大倍数后用于监测自由移动线虫中的单个触觉敏感神经元。当对培养皿施加轻微振动时，尾部的特定神经元显示出钙信号，且该信号在蠕虫向前逃逸或反向行进时呈现不同的升降形态，表明该系统能在运动中捕捉细微的神经动力学。在另一组实验中，双色模式追踪了红色标记的捕食性线虫猎杀绿色标记的猎物。影像记录了完整的追捕序列，每当捕食者咬并进食时围绕其口部的绿色信号就会激增，证实了早期行为模型关于真实接触发生时机的预测。

追踪长距离行程与未标记动物

模块化设计还支持数小时的记录，同时荧光信号衰减最小。在一个示例中，显微镜追踪了觅食的单个线虫，记录了进食肌肉活动、倒退与速度在长距离上的变化。在明场模式下，同一硬件也追踪了未进行基因标记的缓步动物（一种微小的“水熊”）。通过将追踪与姿态估计软件结合，作者在数分钟的记录中分析了足部运动，发现了不同的步态模式以及它们与转向和行走速度的关系。

这对科研与教学的重要性

总之，这项工作表明，经过精心设计并结合现代相机技术，可以构建一种低成本且易于使用的显微镜，将细胞活动与整体现象联系起来。由于依赖现成零件和开源软件，缺乏定制工程资源的实验室和课堂也能研究复杂行为、生态相互作用和微小动物的步态模式，同时观察其底层的细胞活动。

引用: 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

关键词: 荧光显微镜, 行为追踪, 钙成像, 秀丽隐杆线虫, 果蝇幼虫