成像技术和荧光传感器的进步,已经实现了在大鼠、小鼠、鱼类、蝇类和蠕虫等多种动物体内分析带来一系列行为的神经元活性。限制动物的活动可以使实验者对实验对象的感官环境有很好的控制,这对于研究视觉引导或嗅觉引导的行为是有利的。但是,受控制动物在展示更为复杂的行为,尤其是社会行为方面的能力是有限的。近年的技术进展已经使得在自由生存动物体内对神经元活性进行成像成为可能。基于其在帮助科学家实现对细胞、电路和全脑水平的自然行为的神经元基础研究方面的潜能,《自然·方法》杂志遴选了“自由生存动物体内成像”作为2018年的年度方法。
 
  微型显微镜在大鼠和小鼠体内观察其自然行为大约有20年了。当初第一台微型显微镜很笨重,只能使用于大鼠,晚近的版本进一步微型化,到目前,可应用于小鼠而没有对动物行为的过度副作用。近期的发展已经进一步扩展了成像方式,可用于自由生存的啮齿动物。除了大视场的实施,现在还出现了双光子微型化显微镜和可以测量体积的成像能力。科学家们正在获取微型化显微镜技术,并欢迎这些显微镜技术的进一步发展,如同清晨的太阳升起在地平线上。
 
  微型化显微镜目前正在被越来越多的实验室使用,用来研究行为科学问题,包括空间导航、睡眠和社交互动。人们甚至还探索在狨猴体内应用它们。这些显微镜还可以帮助针对动物模型体内的神经病理学状态进行异常大脑活性的视觉化研究。在讨论研究人员如何使用微型化显微镜来监测大脑活性的基础上,科学家们正在热议这项技术对系统神经科学已有发展的影响和今后发展的可能性。
 
  微型化显微镜不仅因其成像神经元活性的能力而有益于社会行为的研究,该技术还可以实现过去只能在受控制动物体内进行的行为机理研究。例如,微型化显微镜技术避免了坚硬的头枕带来的麻烦。尽管在对环境的实验控制方面存在权衡,但动物可以利用额外的感官输入,例如来自前庭系统的感官输入。
 
  微型化显微镜对许多啮齿类动物的行为科学研究有非常珍贵的价值,但是这种技术还不能适用于较小动物,如鱼类、蝇类和蠕虫等的行为科学研究。一种在这些动物体内监测大脑活性的可行方案涉及对自由行为条件下的动物进行跟踪研究。这种跟踪采集的位置信息随后可以被用于指挥显微镜的观察域,从而实现对大脑进行神经元活性的成像。这种跟踪显微镜已经在近年得到了开发,而且,有赖于技术的实施,它们可以对靶向动物的整个神经系统实现细胞分辨率水平的成像。这方面的发展带来的挑战是实现对这些研究所产生的大数据集的分析技术。
 
  当我们选择“在自由生存的动物体内成像”作为2018年的年度方法之时,重要的是要记住行为科学研究不局限于对神经元活性的成像。这样的研究还需要监测行为,对行为和神经元活性建立相关研究,还可能操作神经元活性以确定神经元电路图的因果关系。研究人员通常通过捕捉动物活动的视频来监测行为。有科学家建立了一种称为LEAP计算工具,来进行细致的行为研究,跟踪蝇类和小鼠的身体部位,他们利用LEAP来确定动物的姿势和步态。另有科学家描述了一种与秀丽隐杆线虫一起使用的压缩感知策略,用以识别控制运动速度的神经元。通过抑制重叠神经元的神经元活动和使用行为数据,研究人员鉴定了控制速度的关键神经元,其数量比预期的要少。
 
  在对头部固定或其他受限动物的回路和行为的机理理解方面已经取得了很大进展。现在的挑战是设计和改进计算方法,以便对生成的大数据集进行有效分析。但是,随着对行为自由的动物大脑活动进行成像的工具到位,以及将这些工具与复杂的行为分析和神经元操纵相结合的可能性,未来几年有望在研究更复杂行为方面取得令人兴奋的进展。
 

  资料来源 Nature Methods