年度方法：自由生存動物體內成像

編譯 李升偉

成像技術和熒光傳感器的進步，已經實現了在大鼠、小鼠、魚類、蠅類和蠕蟲等多種動物體內分析帶來一系列行為的神經元活性。限制動物的活動可以使實驗者對實驗對象的感官環境有很好的控制，這對于研究視覺引導或嗅覺引導的行為是有利的。但是，受控制動物在展示更為復雜的行為，尤其是社會行為方面的能力是有限的。近年的技術進展已經使得在自由生存動物體內對神經元活性進行成像成為可能。基于其在幫助科學家實現對細胞、電路和全腦水平的自然行為的神經元基礎研究方面的潛能，《自然·方法》雜志遴選了“自由生存動物體內成像”作為2018年的年度方法。

微型顯微鏡在大鼠和小鼠體內觀察其自然行為大約有20年了。當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，可應用于小鼠而沒有對動物行為的過度副作用。近期的發展已經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，現在還出現了雙光子微型化顯微鏡和可以測量體積的成像能力。科學家們正在獲取微型化顯微鏡技術，并歡迎這些顯微鏡技術的進一步發展，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，用來研究行為科學問題，包括空間導航、睡眠和社交互動。人們甚至還探索在狨猴體內應用它們。這些顯微鏡還可以幫助針對動物模型體內的神經病理學狀態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測大腦活性的基礎上，科學家們正在熱議這項技術對系統神經科學已有發展的影響和今后發展的可能性。

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

微型化顯微鏡對許多嚙齒類動物的行為科學研究有非常珍貴的價值，但是這種技術還不能適用于較小動物，如魚類、蠅類和蠕蟲等的行為科學研究。一種在這些動物體內監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，從而實現對大腦進行神經元活性的成像。這種跟蹤顯微鏡已經在近年得到了開發，而且，有賴于技術的實施，它們可以對靶向動物的整個神經系統實現細胞分辨率水平的成像。這方面的發展帶來的挑戰是實現對這些研究所產生的大數據集的分析技術。

當我們選擇“在自由生存的動物體內成像”作為2018年的年度方法之時，重要的是要記住行為科學研究不局限于對神經元活性的成像。這樣的研究還需要監測行為，對行為和神經元活性建立相關研究，還可能操作神經元活性以確定神經元電路圖的因果關系。研究人員通常通過捕捉動物活動的視頻來監測行為。有科學家建立了一種稱為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。另有科學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元。通過抑制重疊神經元的神經元活動和使用行為數據，研究人員鑒定了控制速度的關鍵神經元，其數量比預期的要少。

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取得了很大進展。現在的挑戰是設計和改進計算方法，以便對生成的大數據集進行有效分析。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雜的行為分析和神經元操縱相結合的可能性，未來幾年有望在研究更復雜行為方面取得令人興奮的進展。

資料來源 Nature Methods