當前位置: 首頁>頭條

自由行為斑馬魚的全腦功能光學成像

發布時間:2017-10-11

  2017年9月20日,《eLife》期刊在線發表了題為《自由行為下幼年斑馬魚快速全腦神經活動成像》的研究論文,該研究由中國科學院腦科學與智能技術卓越創新中心王凱研究組(神經科學研究所)與溫泉研究組(中國科學技術大學微尺度國家實驗室)合作完成。該研究發展了一種新型三維在體成像技術——擴增視場光場顯微技術(eXtended field-of-view Light Field Microscopy, XLFM),可以對斑馬魚幼體的全腦神經元進行高速神經活動功能成像。研究團隊將該成像技術與一套快速三維追蹤系統結合,成功實現了對自由行為下的幼年斑馬魚進行快速全腦神經元活動記錄,并首次捕捉到斑馬魚幼魚在捕食行為下高時空分辨率的全腦神經活動。該研究打破了了長久以來神經科學領域只能對頭部固定的活體斑馬魚進行全腦功能神經活動研究這一局限,為研究斑馬魚幼魚的感知運動神經環路提供了一種強有力的工具。

   

  圖1. XLFM斑馬魚幼魚全腦成像。(a)XLFM示意圖。微透鏡陣列與物鏡的后光瞳平面共軛。激發光為470 nm的藍色激光。(b-c)不同豎直位置的點在相機上形成不同形狀的圖像,這些二維圖像編碼了物體的三維信息。(d)全腦細胞核標記GCaMP6f(huc:h2b-gcamp6f)的斑馬魚幼魚的全腦最大強度投影(MIP)。(e)在t=0時刻光刺激后斑馬魚幼魚不同神經元的熒光活動圖,根據神經元的響應時間先后順序進行排序。(f)(e)中的選定的神經元根據其響應的起始時間被標記了不同的顏色。刻度為100微米。

  系統神經科學的一個中心目標就是理解動物的神經環路活動與行為之間的聯系。近年涌現的一批光學手段(例如鈣信號熒光成像、光遺傳學等)已經在神經科學領域取得了巨大的成功。在此過程中,斑馬魚幼魚因其體積小、光學透明、行為豐富等特征成為一種理想的模式動物。而光片顯微技術(light-sheet microscopy)、雙光子顯微技術(two-photon microscopy)已經在揭示斑馬魚行為神經環路機制上顯示出了強大的潛力。

  然而,現有的斑馬魚全腦神經活動的記錄都是在頭部固定的活體斑馬魚上完成的。雖然近年發展的虛擬現實技術(virtual reality)可以通過監測斑馬魚運動神經信號并在斑馬魚周圍實時反饋相應的虛擬圖像來模擬自由運動的場景,但是這種技術無法模擬一些較復雜的行為,例如捕食行為。更重要的是,在虛擬現實中,斑馬魚的本體反饋被忽略,而這些本體反饋在感知運動行為中扮演著重要角色。因此,發展一套適用于自由行為下的斑馬魚幼魚全腦神經活動記錄的系統成為斑馬魚研究領域一個急迫的任務。

  在此之前,自由行為下的全腦成像技術已經在其他小型動物例如秀麗線蟲上實現。然而,由于斑馬魚幼魚運動時的加速度和速度極快,準確快速地對其腦部實現三維實時追蹤無論是對系統硬件還是算法上都提出了很高的要求。此外,由于斑馬魚全腦的體積相對較大,如何在斑馬魚運動情況下實現對全腦的快速成像也是一個新的挑戰。對此,研究團隊從兩方面入手。一方面,他們開發了一套高速三維追蹤系統,成功解決了對快速運動的斑馬魚頭部實時追蹤的問題。在追蹤系統中,他們分別利用高速相機和一組特殊設計微透鏡實時監測斑馬魚頭部的水平和豎直位置,并將此位置反饋給高速位移臺和壓電陶瓷做水平與豎直方向的位置校正。另一方面,針對成像方法,他們創造性地發展出了一種新型體成像技術——擴增視場光場顯微技術(XLFM)。該技術利用一組放置在成像系統傅立葉平面上的微透鏡陣列,可以同時將物體不同方向的投影成像到相機上,相機采集到的圖像經過特殊算法重構物體的三維信息。該成像方法不僅成像速度極快,可以以77 Hz的速度記錄斑馬魚幼魚的全腦活動,而且相較之前的體成像技術,空間分辨率得到了大幅提高,達到了3.4 μm × 3.4 μm × 5 μm,在斑馬魚全腦中已經接近單細胞分辨率。至此,該工作成功解決了斑馬魚幼魚的追蹤與成像這兩大問題。

  進一步地,他們將XLFM與高速三維追蹤系統結合,成功捕捉到了斑馬魚幼魚捕食行為下的全腦活動。斑馬魚的捕食行為由于涉及動機、感知、決策、運動控制、反饋等一系列復雜的神經環路功能,一直以來都受到神經科學領域的重點關注。然而,長久以來,人們受限于研究工具一直無法深入研究捕食行為背后的神經環路機制。而該工作的完成恰恰填補了這一缺陷,這將極大地促進對斑馬魚幼魚捕食等復雜行為神經機理的研究,對人們更好地理解感知運動相關的神經環路工作機理具有重要意義。該技術進一步拓展后亦可大規模監測其他小型動物神經系統的活動。

   

  圖2. 捕食行為中的斑馬魚幼魚全腦成像。(a)在捕食行為中的6個關鍵時間點的全腦活動(上圖)和對應的低被行為(下圖)。用于定量分析行為的一些參數包括:斑馬魚-草履蟲夾角、兩眼會聚角、頭部朝向、斑馬魚-草履蟲距離d。(b)全神經系統胞質GCaMP6s表達的斑馬魚全腦最大強度投影(MIP),四個感興趣的腦區的邊界已經被標出。(c)根據熒光信號亮度得到的四個腦區在捕食過程中的神經活動(上),以及對應的行為參數的變化(中、下)。

  該工作由中國科學院腦科學與智能技術卓越創新中心王凱研究員、杜久林研究員與溫泉研究員合作完成,神經所助研叢林、杭葦、科大本科生王澤冠、博士生柴宇明為共同第一作者,王凱研究員、溫泉研究員為共同通訊作者,杜久林組副研究員尚春峰、王凱組研究生白璐和溫泉組研究生楊文斌也做出了重要貢獻。

附件下載: 
    彩神网