科學(xué)家實(shí)現(xiàn)自由行為斑馬魚全腦功能光學(xué)成像

近日，中國科學(xué)院腦科學(xué)與智能技術(shù)卓越創(chuàng)新中心王凱研究組（神經(jīng)科學(xué)研究所）與溫泉研究組（中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)微尺度國家實(shí)驗(yàn)室）合作完成的論文《自由行為下幼年斑馬魚快速全腦神經(jīng)活動成像》發(fā)表在eLife上。該研究發(fā)展了一種新型三維在體成像技術(shù)——擴(kuò)增視場光場顯微技術(shù)（eXtended field-of-view Light Field Microscopy, XLFM），可以對斑馬魚幼體的全腦神經(jīng)元進(jìn)行高速神經(jīng)活動功能成像。研究團(tuán)隊(duì)將該成像技術(shù)與一套快速三維追蹤系統(tǒng)結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了對自由行為下的幼年斑馬魚進(jìn)行快速全腦神經(jīng)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(jīng)活動。研究打破了了長久以來神經(jīng)科學(xué)領(lǐng)域只能對頭部固定的活體斑馬魚進(jìn)行全腦功能神經(jīng)活動研究的局限，為研究斑馬魚幼魚的感知運(yùn)動神經(jīng)環(huán)路提供了強(qiáng)有力的工具�！　∠到y(tǒng)神經(jīng)科學(xué)的中心目標(biāo)之一，就是理解動物的神經(jīng)環(huán)路活動與行為之間的聯(lián)系。近年涌現(xiàn)的一批光學(xué)手段（如鈣信號熒光成像、光遺傳學(xué)等）已在神經(jīng)科學(xué)領(lǐng)域取得了成功。在此過程中，斑馬魚幼魚因其體積小、光學(xué)透明、行為豐富等特征成為理想的模式動物。光片顯微技術(shù)（light-sheet microscopy）、雙光子顯微技術(shù)（two-photon microscopy）已在揭示斑馬魚行為神經(jīng)環(huán)路機(jī)制上顯示出潛力。

　　現(xiàn)有的斑馬魚全腦神經(jīng)活動的記錄都是在頭部固定的活體斑馬魚上完成的。近年發(fā)展的虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)（virtual reality）可以通過監(jiān)測斑馬魚運(yùn)動神經(jīng)信號，并在斑馬魚周圍實(shí)時反饋相應(yīng)的虛擬圖像來模擬自由運(yùn)動的場景，但這種技術(shù)無法模擬一些較復(fù)雜的行為，例如捕食行為。更重要的是，在虛擬現(xiàn)實(shí)中，斑馬魚的本體反饋被忽略，本體反饋在感知運(yùn)動行為中扮演著重要角色。因此，發(fā)展一套適用于自由行為下的斑馬魚幼魚全腦神經(jīng)活動記錄的系統(tǒng)，成為斑馬魚研究領(lǐng)域的迫切任務(wù)。

　　此前，自由行為下的全腦成像技術(shù)已在其他小型動物上實(shí)現(xiàn)。由于斑馬魚幼魚運(yùn)動時的加速度和速度極快，準(zhǔn)確快速地對其腦部實(shí)現(xiàn)三維實(shí)時追蹤，無論是對系統(tǒng)硬件還是算法上都提出了很高的要求。此外，斑馬魚全腦的體積相對較大，如何在斑馬魚運(yùn)動情況下實(shí)現(xiàn)對全腦的快速成像也是新挑戰(zhàn)。研究團(tuán)隊(duì)從兩方面入手：科研人員開發(fā)了一套高速三維追蹤系統(tǒng)，解決了對快速運(yùn)動的斑馬魚頭部實(shí)時追蹤的問題。在追蹤系統(tǒng)中，他們分別利用高速相機(jī)和一組特殊設(shè)計(jì)微透鏡實(shí)時監(jiān)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。針對成像方法，研究人員創(chuàng)造性地發(fā)展出了新型體成像技術(shù)——擴(kuò)增視場光場顯微技術(shù)（XLFM）。該技術(shù)利用一組放置在成像系統(tǒng)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(jī)上，相機(jī)采集到的圖像經(jīng)過特殊算法重構(gòu)物體的三維信息。該成像方法不僅成像速度極快，以77Hz的速度記錄斑馬魚幼魚的全腦活動，且相較之前的體成像技術(shù)，空間分辨率得到了大幅提高，達(dá)到了3.4μm×3.4μm×5μm，在斑馬魚全腦中已接近單細(xì)胞分辨率。至此，該工作解決了斑馬魚幼魚的追蹤與成像兩大問題。

　　研究人員將XLFM與高速三維追蹤系統(tǒng)結(jié)合，捕捉到了斑馬魚幼魚捕食行為下的全腦活動。斑馬魚的捕食行為涉及動機(jī)、感知、決策、運(yùn)動控制、反饋等一系列復(fù)雜的神經(jīng)環(huán)路功能，受到神經(jīng)科學(xué)領(lǐng)域的重點(diǎn)關(guān)注。長久以來，人們受限于研究工具無法深入研究捕食行為背后的神經(jīng)環(huán)路機(jī)制。該工作的完成填補(bǔ)了這一缺陷，這將極大地促進(jìn)對斑馬魚幼魚捕食等復(fù)雜行為神經(jīng)機(jī)理的研究，對人們更好地理解感知運(yùn)動相關(guān)的神經(jīng)環(huán)路工作機(jī)理具有重要意義。該技術(shù)進(jìn)一步拓展后亦可大規(guī)模監(jiān)測其他小型動物神經(jīng)系統(tǒng)的活動。

　　研究工作得到中科院戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項(xiàng)、國家自然科學(xué)基金、青年千人計(jì)劃和中科院百人計(jì)劃的資助。

[attachment=79629]　
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(fā)光為470 nm的藍(lán)色激光。（b-c）不同豎直位置的點(diǎn)在相機(jī)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(xì)胞核標(biāo)記GCaMP6f（huc：h2b-gcamp6f）的斑馬魚幼魚的全腦最大強(qiáng)度投影（MIP）。（e）在t=0時刻光刺激后斑馬魚幼魚不同神經(jīng)元的熒光活動圖，根據(jù)神經(jīng)元的響應(yīng)時間先后順序進(jìn)行排序。（f）（e）中的選定的神經(jīng)元根據(jù)其響應(yīng)的起始時間被標(biāo)記了不同的顏色�？潭葹�100微米。