哥倫比亞工程師和神經(jīng)科學(xué)家聯(lián)合起來創(chuàng)建了單個神經(jīng)細胞的三維視頻，這些神經(jīng)細胞在移動時拉伸和切換果蠅幼蟲。從這些視頻中收集的數(shù)據(jù)揭示了稱為本體感受神經(jīng)元的神經(jīng)細胞如何協(xié)同工作以幫助身體感知它在太空中的位置。為了實現(xiàn)這一壯舉，研究人員利用了SCAPE，這是一種在哥倫比亞開發(fā)的尖端顯微鏡，能夠以閃電般的速度對神經(jīng)元進行成像。

今天發(fā)表在“ 當代生物學(xué)”雜志上的這些研究結(jié)果說明了SCAPE能夠以前所未有的細節(jié)揭示神經(jīng)系統(tǒng)的內(nèi)部運作。通過在動物爬行時創(chuàng)建幼蟲神經(jīng)細胞的三維實時圖像，SCAPE讓研究人員可以準確地看到沿著體壁的細胞如何報告運動回到大腦。

“我們知道，雖然電子脈沖通過神經(jīng)元，大腦會接收感覺信號，但我們不明白為什么某些神經(jīng)元位于特定位置，或者特定信號模式如何代表不同的運動，”Wesley Grueber博士說。哥倫比亞大學(xué)Mortimer B. Zuckerman Mind Brain Behavior Institute的首席研究員和該論文的共同資深作者。“為了理解這個過程，我們需要知道當幼蟲不受約束地爬行時神經(jīng)元發(fā)出的信號。”

“雖然我們可以制造幼蟲的神經(jīng)元在射擊時用熒光閃光標記，但我們很難對它們進行成像，”Reueca Vaadia說，他是Grueber實驗室的博士候選人，也是該論文的共同第一作者。“即使我們最快的顯微鏡也要求標本被限制在不自然的慢速移動，所以在我們開始使用SCAPE之前，我們永遠無法真正捕獲反映動物自然，無阻礙運動的神經(jīng)活動。”

“我們開發(fā)了SCAPE來實現(xiàn)三維圖像的真實，非?？?，”伊麗莎白希爾曼博士說道，他也是哥倫比亞大學(xué)扎克曼研究所的首席研究員，也是該論文的共同資深作者。“通過合作，我們很快發(fā)現(xiàn)我們可以記錄在它們爬行時果蠅幼蟲內(nèi)部閃爍的神經(jīng)細胞。我們的高速度使我們既可以測量身體的復(fù)雜三維運動，也可以測量這些運動過程中神經(jīng)元的活動。我們可以實時這樣做。“

該成像產(chǎn)生了大量數(shù)據(jù)。為了理解它，該團隊開發(fā)了跟蹤每個本體感受細胞的算法，并確定在爬行過程中身體壓縮和伸展時的確切活動時間。

“我們看到每個細胞的位置使其對身體整體形狀的特定變化敏感，當我們排列所有神經(jīng)元的信號時，我們看到他們產(chǎn)生了反映每個身體部位運動的詳細信號序列， “該論文的共同第一作者，Wenze Li博士說，他最近在哥倫比亞希爾曼實驗室獲得了電氣工程博士學(xué)位。“這就像一臺漂亮的機器。”

“我們的實驗一致表明，當幼蟲爬行時，每個本體感受器神經(jīng)元的反應(yīng)都不同，如果幼蟲受到限制就無法進行觀察，”Grueber博士說，他也是生理學(xué)和細胞學(xué)的副教授。哥倫比亞大學(xué)Vagelos醫(yī)師和外科醫(yī)生學(xué)院的生物物理學(xué)和神經(jīng)科學(xué)。“我們實時看到，當動物的身體伸展時，一些神經(jīng)元是如何發(fā)射的，而其他神經(jīng)元則在被壓縮時發(fā)射。”

科學(xué)家長期以來假設(shè)本體感覺伴隨著冗余，因為關(guān)閉這些神經(jīng)元中的一個或甚至一些只會使幼蟲爬行更慢。然而，今天的研究發(fā)現(xiàn)，每個神經(jīng)元都有自己稍微不同的角色，并且精確定位以感知動物運動的特定方面。該團隊證明了這條規(guī)則不僅適用于爬行，而且對于編碼更復(fù)雜的動作非常重要。

“我們在破譯這些細胞的代碼方面取得了很大進展，”瓦迪亞說。

首先由Hillman博士及其同事在2015年描述，SCAPE(掃描共焦對齊平面激發(fā))顯微鏡通過用一片激光掃描它們來形成活體樣品的三維圖像。SCAPE的獨創(chuàng)性在于能夠通過一個固定的物鏡投射和檢測這個移動的光片。SCAPE提供3-D成像速度，比逐點掃描物體的傳統(tǒng)顯微鏡快500倍。

SCAPE尤其適用于對諸如果蠅等小生物進行成像，因為它們可以非常透明，并且足夠小，可以對整個大腦或身體及其內(nèi)部的單個細胞進行成像。

“蒼蠅，蠕蟲和魚的大腦比人類簡單得多，但這讓我們有機會逐個細胞地了解一個完整的神經(jīng)系統(tǒng)是如何工作的，”希爾曼博士說，他也是哥倫比亞工程公司的生物醫(yī)學(xué)工程教授。和哥倫比亞大學(xué)Vagelos醫(yī)師和外科醫(yī)生學(xué)院的放射學(xué)教授。“我們有充分的理由相信，如果我們能夠更好地理解這些簡單的系統(tǒng)，那么所吸取的教訓(xùn)將擴展到更復(fù)雜的系統(tǒng)，包括哺乳動物。”

SCAPE捕捉大腦的能力正處于最佳狀態(tài)，因為Fly和Human Connectome Projects等計劃旨在建立神經(jīng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和連接的詳細地圖。BRAIN計劃的一個主要目標，即為SCAPE的發(fā)展提供資金并支持Drs。Hillman和Grueber的合作，就是破譯這種結(jié)構(gòu) - 功能關(guān)系。最終目標是利用SCAPE等新工具來準確理解大腦細胞之間數(shù)十億的連接，與其復(fù)雜的活動并行，能夠產(chǎn)生大腦能夠產(chǎn)生的復(fù)雜行為。

“我們已經(jīng)證明，SCAPE可以跟蹤和繪制爬行果蠅幼蟲中的本體感受神經(jīng)元，這只是許多研究中的第一個，現(xiàn)在可以探索其他動物的蒼蠅和神經(jīng)系統(tǒng)，”李博士說。“我們現(xiàn)在可以逐字地標記任何類型的細胞，并在動物移動，進食甚至形成記憶時發(fā)現(xiàn)它正在做什么;可能性是無窮無盡的。”

本文的標題是“使用高速體積顯微鏡表征果蠅幼蟲行為的本體感受系統(tǒng)動力學(xué)”。