新型机器人显微镜系统分析自由移动动物神经细胞活性

大阪大学和东北大学的研究人员开发出一种新型的机器人显微镜系统，可以自动跟踪自由移动的小动物并通过“投影映射”操纵其大脑活动。他们将系统命名为OSaCaBeN或OSB。通过使用机器人范围分析线虫C. elegans--一种广泛用于研究基本脑功能的蛔虫- 研究人员揭示了释放多巴胺的神经细胞的功能多样化。多巴胺是一种调节动物大脑运动，情绪和动力的化学物质。

为了理解大脑是如何工作的，有必要测量大脑中神经细胞的活动，并假设特定神经细胞的活动如何与大脑的功能相关。然后通过人工操纵神经细胞的活动并观察其对动物行为的影响来测试该假设，动物的行为是脑功能的最突出的输出。

由于基因工程技术的最新进展，可以在显微镜下光学测量和操纵特定神经细胞的活性。然而，由于动物大脑的复杂性，理解动物行为与特定神经细胞活动之间的关系仍然具有挑战性。

该线虫是经常使用的神经科学家，因为它非常小的大脑只包含302的神经细胞。尽管如此，它还是通过使用与其他动物(包括人类)非常相似的分子来响应各种刺激(有时会记住它们!)。此外，由于秀丽隐杆线虫的透明体，可以通过上述光学技术容易地测量和操纵神经细胞活动。

但分析移动蠕虫的神经活动并不容易。蠕虫每秒移动约0.1毫米，这是非常难以遵循的，因为它们在一秒钟内通过显微镜的视野。桥本浩一教授的研究小组通过开发一种能够使用最先进的软件技术“机器视觉”自动跟踪舞台上的蠕虫的机器人范围解决了这个问题。

机器人范围从整个图像中识别出蠕虫头部的一部分(图2左下方的白色方块)，并调整显微镜载物台的位置，始终将头部保持在视野的中心，精确±0.001毫米。“虽然这样的图像识别过程通常需要几个小时，但机器人范围每秒可以进行200次，”桥本说。“这使我们可以光学测量蠕虫大脑中多个神经细胞在移动时的连续活动。”

此外，在略微不同的布置中，系统还通过另一机器视觉软件识别和跟踪移动的蠕虫中的一个特定神经细胞(在许多中)，并且通过连续照射精细光束来操纵其活动。这是唯一能够以这种精度执行光学测量和神经细胞操作的机器人显微镜系统。

通过机器人范围，Kotaro Kimura教授的研究小组揭示了多巴胺释放神经细胞的功能多样化。在蠕虫中，已知多巴胺在到达食物(细菌的草坪)时从4对神经细胞中释放出来。多巴胺还可以调节身体多个部位的运动，发出感觉和学习信号。

然而，食物信号 - 蠕虫生存的最重要信息 - 如何转化为多巴胺释放神经细胞的活动尚不清楚。

研究人员发现，当食物到达时，只有背侧对多巴胺释放神经元(CEPD)才会被激活。(图2)。此外，人工激活CEPD引起的行为改变类似于达到食物时观察到的行为改变。

然而，结构相似的背侧对多巴胺释放神经细胞(CEPV)在到达食物时未被激活，并且CEPV的人工激活不会引起类似于CEPD激活的行为变化。CEPV很可能在不同的情况下被激活，并在行为调节中发挥不同的作用。因此，研究人员发现即使是结构对称的多巴胺释放神经元也具有不对称功能。

“我们将使用蠕虫和斑马鱼的机器人显微镜系统分析大脑和行为之间的更多关系，”Kimura说。“我们希望通过对这些简单动物的分析来了解大脑功能的基本原理。”