年度方法：自由生存動物體內(nèi)成像

編譯 李升偉

成像技術(shù)和熒光傳感器的進步，已經(jīng)實現(xiàn)了在大鼠、小鼠、魚類、蠅類和蠕蟲等多種動物體內(nèi)分析帶來一系列行為的神經(jīng)元活性。限制動物的活動可以使實驗者對實驗對象的感官環(huán)境有很好的控制，這對于研究視覺引導(dǎo)或嗅覺引導(dǎo)的行為是有利的。但是，受控制動物在展示更為復(fù)雜的行為，尤其是社會行為方面的能力是有限的。近年的技術(shù)進展已經(jīng)使得在自由生存動物體內(nèi)對神經(jīng)元活性進行成像成為可能?；谄湓趲椭茖W(xué)家實現(xiàn)對細胞、電路和全腦水平的自然行為的神經(jīng)元基礎(chǔ)研究方面的潛能，《自然·方法》雜志遴選了“自由生存動物體內(nèi)成像”作為2018年的年度方法。

微型顯微鏡在大鼠和小鼠體內(nèi)觀察其自然行為大約有20年了。當(dāng)初第一臺微型顯微鏡很笨重，只能使用于大鼠，晚近的版本進一步微型化，到目前，可應(yīng)用于小鼠而沒有對動物行為的過度副作用。近期的發(fā)展已經(jīng)進一步擴展了成像方式，可用于自由生存的嚙齒動物。除了大視場的實施，現(xiàn)在還出現(xiàn)了雙光子微型化顯微鏡和可以測量體積的成像能力?？茖W(xué)家們正在獲取微型化顯微鏡技術(shù)，并歡迎這些顯微鏡技術(shù)的進一步發(fā)展，如同清晨的太陽升起在地平線上。

微型化顯微鏡目前正在被越來越多的實驗室使用，用來研究行為科學(xué)問題，包括空間導(dǎo)航、睡眠和社交互動。人們甚至還探索在狨猴體內(nèi)應(yīng)用它們。這些顯微鏡還可以幫助針對動物模型體內(nèi)的神經(jīng)病理學(xué)狀態(tài)進行異常大腦活性的視覺化研究。在討論研究人員如何使用微型化顯微鏡來監(jiān)測大腦活性的基礎(chǔ)上，科學(xué)家們正在熱議這項技術(shù)對系統(tǒng)神經(jīng)科學(xué)已有發(fā)展的影響和今后發(fā)展的可能性。

微型化顯微鏡不僅因其成像神經(jīng)元活性的能力而有益于社會行為的研究，該技術(shù)還可以實現(xiàn)過去只能在受控制動物體內(nèi)進行的行為機理研究。例如，微型化顯微鏡技術(shù)避免了堅硬的頭枕帶來的麻煩。盡管在對環(huán)境的實驗控制方面存在權(quán)衡，但動物可以利用額外的感官輸入，例如來自前庭系統(tǒng)的感官輸入。

微型化顯微鏡對許多嚙齒類動物的行為科學(xué)研究有非常珍貴的價值，但是這種技術(shù)還不能適用于較小動物，如魚類、蠅類和蠕蟲等的行為科學(xué)研究。一種在這些動物體內(nèi)監(jiān)測大腦活性的可行方案涉及對自由行為條件下的動物進行跟蹤研究。這種跟蹤采集的位置信息隨后可以被用于指揮顯微鏡的觀察域，從而實現(xiàn)對大腦進行神經(jīng)元活性的成像。這種跟蹤顯微鏡已經(jīng)在近年得到了開發(fā)，而且，有賴于技術(shù)的實施，它們可以對靶向動物的整個神經(jīng)系統(tǒng)實現(xiàn)細胞分辨率水平的成像。這方面的發(fā)展帶來的挑戰(zhàn)是實現(xiàn)對這些研究所產(chǎn)生的大數(shù)據(jù)集的分析技術(shù)。

當(dāng)我們選擇“在自由生存的動物體內(nèi)成像”作為2018年的年度方法之時，重要的是要記住行為科學(xué)研究不局限于對神經(jīng)元活性的成像。這樣的研究還需要監(jiān)測行為，對行為和神經(jīng)元活性建立相關(guān)研究，還可能操作神經(jīng)元活性以確定神經(jīng)元電路圖的因果關(guān)系。研究人員通常通過捕捉動物活動的視頻來監(jiān)測行為。有科學(xué)家建立了一種稱為LEAP計算工具，來進行細致的行為研究，跟蹤蠅類和小鼠的身體部位，他們利用LEAP來確定動物的姿勢和步態(tài)。另有科學(xué)家描述了一種與秀麗隱桿線蟲一起使用的壓縮感知策略，用以識別控制運動速度的神經(jīng)元。通過抑制重疊神經(jīng)元的神經(jīng)元活動和使用行為數(shù)據(jù)，研究人員鑒定了控制速度的關(guān)鍵神經(jīng)元，其數(shù)量比預(yù)期的要少。

在對頭部固定或其他受限動物的回路和行為的機理理解方面已經(jīng)取得了很大進展?，F(xiàn)在的挑戰(zhàn)是設(shè)計和改進計算方法，以便對生成的大數(shù)據(jù)集進行有效分析。但是，隨著對行為自由的動物大腦活動進行成像的工具到位，以及將這些工具與復(fù)雜的行為分析和神經(jīng)元操縱相結(jié)合的可能性，未來幾年有望在研究更復(fù)雜行為方面取得令人興奮的進展。

資料來源 Nature Methods