高速成像技术首次记录果蝇幼虫神经细胞活动过程 | Current Biology
来源：Columbia University's Zuckerman Institute
来源 Zuckerman Institute
撰文 Anne Holden
编译 MQ
审校 刘悦晨
编辑 戚译引
哥伦比亚大学（Columbia University）的工程师和神经科学家们联合制作了在果蝇幼虫运动时，其体内单个神经活动、伸展和打开的 3D 视频。从这些视频中收集的数据揭示了一种被称为本体感受神经元的神经细胞如何协同工作，以帮助身体感知其在空间中的位置。这一壮举的实现得益于哥伦比亚大学研究人员开发的一种划时代显微镜技术——SCAPE，全称扫描共焦对准平面激发显微镜（swept confocally aligned planar excitation），它能够以闪电般的速度对神经元进行成像。
上述成果于近日发表在《当代生物学》（Current Biology）杂志上，展现了 SCAPE 的能力——以前所未有的精度展示神经系统内部运作过程中的细节。通过创建幼虫爬行时神经细胞的 3D 实时动作图像，SCAPE 技术能够让研究人员们准确地看到那些沿着体壁分布的神经细胞如何将躯体的运动行为反映给大脑。
哥伦比亚大学 Mortimer B. Zuckerman 脑研究中心首席研究员、论文作者 Wesley Grueber 博士说：“我们知道，大脑通过神经元传递的电脉冲接收感觉信号，但我们不知道为什么某些神经元仅在特定的位置存在，或者特定的信号模式究竟是怎样代表不同运动的。为了解这个过程，我们需要知道当幼虫在不受约束地爬行时，神经元发出了怎样的信号。”
“虽然我们可以使用荧光标记的方法，让幼虫的神经在发放时发出荧光，但我们很难对它们进行有效的成像，”Grueber 实验室的博士候选人、论文作者 Reueca Vaadia 说，“原来即使是我们最快的显微镜也要求标本必须被限制以非自然的状态缓慢移动，因此在开始使用 SCAPE 之前，我们永远无法真正捕捉反映动物自然、无阻碍运动的神经活动的影像。”
“我们开发了 SCAPE 来对物体实现高速的3D成像，”哥伦比亚大学 Mortimer B. Zuckerman 脑研究中心研究员、论文共同资深作者 Elizabeth Hillman 博士说，“通过合作，我们很快发现，我们可以记录果蝇幼虫爬行时神经元细胞发出的电信号。SCAPE 的高速让我们能够实时对果蝇幼虫爬行时身体和神经元复杂的三维运动进行同步测量。”
为了解析 SCAPE 成像时产生的大量数据，该团队开发了一种算法，可以跟踪每一个本体感受细胞，并确定了果蝇幼虫在爬行过程中身体不停收缩和舒张时，每一个本体感受细胞确切的活动时间。
“我们发现，每个本体感受细胞所处的位置都使得它们对身体整体形态的特定变化十分敏感，并且当我们排列所有神经元的信号时，我们看到它们产生了一个详细的反映身体每个部位运动的信号序列，就像一台漂亮的机器，”论文共同第一作者 Wenze Li 说，他刚刚在哥伦比亚大学 Hillman 实验室获得电子工程学博士学位。
哥伦比亚大学 Vagelos 内科和外科学院的生理学、细胞生物物理学以及神经科学副教授 Grueber 博士说：“我们的实验一致表明，当幼虫爬行时每个本体感受器神经元的反应都有所不同，这一现象如果幼虫的运动受到限制就无法进行观察。借助 SPACE，我们实时看到了当幼虫的身体伸展或收缩时，不同的神经元是如何发放信号的。”
长期以来，科学家们一直假设本体感觉是有冗余的，因为切断其中一个甚至一些神经元只会让幼虫爬行得更慢而已。然而通过这项研究，我们了解到每个本体感受神经元都有着略微不同的作用，并且被准确地定位以感知不同身体部位的运动。该团队证明这一规律不仅适用于爬行，对编码更为复杂的运动模式也起到了重要作用。。
“我们在破解这些细胞的密码方面取得了很大的进展，”Vaadia 说道。
SCAPE 的构想由 Hillman 博士及其同事在 2015 年最先提出，能够用激光片层扫描活体样本，形成三维图像。SCAPE 的独创性在于其能够通过同一个固定的物镜，投射和检测移动的激光片层。SCAPE 生成 3D 成像的速度比逐点扫描物体的传统显微镜快 500 倍。
SCAPE 特别适用于对果蝇等小型生物的成像，它们可以是透明的，而且足够小，因此可以对它们的整个大脑、身体或者内部的单个细胞进行成像。
“苍蝇、蠕虫和鱼的大脑比人类简单得多，这让我们有机会逐个细胞地了解一个完整的神经系统是如何工作的，”哥伦比亚工程学院生物医学工程教授、哥伦比亚大学 Vagelos 内科与外科医学院放射学教授 Hillman 博士说，“我们坚信，如果我们能够更好地理解这些简单的系统，那么从中获得的经验将可以扩展到包括哺乳动物在内的更复杂的系统。”
SCAPE 捕捉大脑活动的能力来得正是时候。果蝇和人类连接组项目（Fly and Human Connectome Projects）等研究正在建立神经系统结构和连接的详细图表；而BRAIN计划（BRAIN Initiative，全称 Brain Research through Advancing Innovative Neurotechnologies Initiative）的一个主要目标是破译这种结构与功能之间的关系，该计划资助了 SCAPE 的开发，并支持了 Hillman 博士和 Grueber 的合作。科学家的最终目标是利用SCAPE等新工具，准确理解大脑细胞之间数十亿的连接及复杂的活动如何协同产生了我们的大脑的复杂行为。
Li 博士说：“我们已经证明 SCAPE 可以在果蝇幼虫爬行时追踪和绘制它的本体感受神经元，这只是众多研究项目中的第一项，这些研究将让我们对果蝇和其他动物的神经系统进行探索。现在，我们可以直接给任何类型的细胞贴上标签，找出当动物运动、进食甚至形成记忆时它在做什么，我们拥有无限可能。”
论文信息
【标题】Characterization of Proprioceptive System Dynamics in Behaving Drosophila Larvae Using High-Speed Volumetric Microscopy
【作者】Rebecca D.Vaadia, Wenze Li, Venkatakaushik Voleti, Aditi Singhania, Elizabeth M.C.Hillman and Wesley B.Grueber
【期刊】Current Biology
【时间】7 March 2019
【DOI】10.1016/j.cub.2019.01.060
【摘要】Proprioceptors provide feedback about body position that is essential for coordinated movement. Proprioceptive sensing of the position of rigid joints has been described in detail in several systems; however, it is not known how animals with a flexible skeleton encode their body positions. Understanding how diverse larval body positions are dynamically encoded requires knowledge of proprioceptor activity patterns in vivo during natural movement. Here we used high-speed volumetric swept confocally aligned planar excitation (SCAPE) microscopy in crawling Drosophila larvae to simultaneously track the position, deformation, and intracellular calcium activity of their multidendritic proprioceptors. Most proprioceptive neurons were found to activate during segment contraction, although one subtype was activated by extension. During cycles of segment contraction and extension, different proprioceptor types exhibited sequential activity, providing a continuum of position encoding during all phases of crawling. This sequential activity was related to the dynamics of each neuron’s terminal processes, and could endow each proprioceptor with a specific role in monitoring different aspects of body-wall deformation. We demonstrate this deformation encoding both during progression of contraction waves during locomotion as well as during less stereotyped, asymmetric exploration behavior. Our results provide powerful new insights into the body-wide neuronal dynamics of the proprioceptive system in crawling Drosophila, and demonstrate the utility of our SCAPE microscopy approach for characterization of neural encoding throughout the nervous system of a freely behaving animal.
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