哥伦比亚工程师和神经科学家联合起来创建了单个神经细胞的三维视频，这些神经细胞在移动时拉伸和切换果蝇幼虫。
从这些视频中收集的数据揭示了称为本体感受神经元的神经细胞如何协同工作以帮助身体感知它在太空中的位置。为了实现这一壮举，研究人员利用了SCAPE，这是一种在哥伦比亚开发的尖端显微镜，能够以闪电般的速度对神经元进行成像。
今天发表在“当代生物学”杂志上的这些研究结果说明了SCAPE能够以前所未有的细节揭示神经系统的内部运作。通过在动物爬行时创建幼虫神经细胞的三维实时图像，SCAPE让研究人员可以准确地看到沿着体壁的细胞如何报告运动回到大脑。
“我们知道，虽然电子脉冲通过神经元，大脑会接收感觉信号，但我们不明白为什么某些神经元位于特定位置，或者特定信号模式如何代表不同的运动，”Wesley Grueber博士说。哥伦比亚大学Mortimer B. Zuckerman Mind Brain Behavior Institute的首席研究员和该论文的共同资深作者。“为了理解这个过程，我们需要知道当幼虫不受约束地爬行时神经元发出的信号。”
“虽然我们可以制造幼虫的神经元在射击时用荧光闪光标记，但我们很难对它们进行成像，”Reueca Vaadia说，他是Grueber实验室的博士候选人，也是该论文的共同第一作者。“即使我们最快的显微镜也要求标本被限制在不自然的慢速移动，所以在我们开始使用SCAPE之前，我们永远无法真正捕获反映动物自然，无阻碍运动的神经活动。”
“我们开发了SCAPE来实现三维图像的真实，非常快，”伊丽莎白希尔曼博士说道，他也是哥伦比亚大学扎克曼研究所的首席研究员，也是该论文的共同资深作者。“通过合作，我们很快发现我们可以记录在它们爬行时果蝇幼虫内部闪烁的神经细胞。我们的高速度使我们既可以测量身体的复杂三维运动，也可以测量这些运动过程中神经元的活动。我们可以实时这样做。“
该成像产生了大量数据。为了理解它，该团队开发了跟踪每个本体感受细胞的算法，并确定在爬行过程中身体压缩和伸展时的确切活动时间。
“我们看到每个细胞的位置使其对身体整体形状的特定变化敏感，当我们排列所有神经元的信号时，我们看到他们产生了反映每个身体部位运动的详细信号序列， “该论文的共同第一作者，Wenze Li博士说，他最近在哥伦比亚希尔曼实验室获得了电气工程博士学位。“这就像一台漂亮的机器。”
“我们的实验一致表明，当幼虫爬行时，每个本体感受器神经元的反应都不同，如果幼虫受到限制就无法进行观察，”Grueber博士说，他也是生理学和细胞学的副教授。哥伦比亚大学Vagelos医师和外科医生学院的生物物理学和神经科学。“我们实时看到，当动物的身体伸展时，一些神经元是如何发射的，而其他神经元则在被压缩时发射。”
科学家长期以来假设本体感觉伴随着冗余，因为关闭这些神经元中的一个或甚至一些只会使幼虫爬行更慢。然而，今天的研究发现，每个神经元都有自己稍微不同的角色，并且精确定位以感知动物运动的特定方面。该团队证明了这条规则不仅适用于爬行，而且对于编码更复杂的动作非常重要。
“我们在破译这些细胞的代码方面取得了很大进展，”瓦迪亚说。
首先由Hillman博士及其同事在2015年描述，SCAPE(扫描共焦对齐平面激发)显微镜通过用一片激光扫描它们来形成活体样品的三维图像。SCAPE的独创性在于能够通过一个固定的物镜投射和检测这个移动的光片。SCAPE提供3-D成像速度，比逐点扫描物体的传统显微镜快500倍。
SCAPE尤其适用于对诸如果蝇等小生物进行成像，因为它们可以非常透明，并且足够小，可以对整个大脑或身体及其内部的单个细胞进行成像。
“苍蝇，蠕虫和鱼的大脑比人类简单得多，但这让我们有机会逐个细胞地了解一个完整的神经系统是如何工作的，”希尔曼博士说，他也是哥伦比亚工程公司的生物医学工程教授。和哥伦比亚大学Vagelos医师和外科医生学院的放射学教授。“我们有充分的理由相信，如果我们能够更好地理解这些简单的系统，那么所吸取的教训将扩展到更复杂的系统，包括哺乳动物。”
SCAPE捕捉大脑的能力正处于最佳状态，因为Fly和Human Connectome Projects等计划旨在建立神经系统结构和连接的详细地图。BRAIN计划的一个主要目标，即为SCAPE的发展提供资金并支持Drs。Hillman和Grueber的合作，就是破译这种结构 - 功能关系。最终目标是利用SCAPE等新工具来准确理解大脑细胞之间数十亿的连接，与其复杂的活动并行，能够产生大脑能够产生的复杂行为。
“我们已经证明，SCAPE可以跟踪和绘制爬行果蝇幼虫中的本体感受神经元，这只是许多研究中的第一个，现在可以探索其他动物的苍蝇和神经系统，”李博士说。“我们现在可以逐字地标记任何类型的细胞，并在动物移动，进食甚至形成记忆时发现它正在做什么;可能性是无穷无尽的。”
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