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Central Nervous System (CNS) Development and Activity in Organisms

How does the CNS develop? Visualizing neural circuit assembly and activity with the GCaMP calcium indicator in the neurons of Drosophila (fruit fly) embryos

[Translate to chinese:] Raw widefield and THUNDER image of calcium transients in Drosophila embryos. Courtesy A. Carreira-Rosario, Clandinin laboratory, California, USA. Calcium_transients_in_Drosophila_embryos_teaser.jpg

本文解释了如何使用THUNDER Imager成像系统助力对模式生物的中枢神经系统（CNS）发育和活动的深入研究。研究采用的是在神经元中表达GCaMP钙指示剂的黑腹果蝇胚胎。神经元中的钙瞬变通过对GCaMP荧光信号延时成像记录。使用即时光学成像解析技术（ICC）处理的无非焦平面信号干扰的胚胎图像，相比传统宽场显微镜能够更精准地检测到钙瞬变信号。

中枢神经系统（CNS）的发育

发育生物学研究涉及到神经回路的组装及其活动，以及在生物体发育过程中中枢神经系统（CNS）的形成 [1]。黑腹果蝇是用于此类研究的模式生物之一 [2]。将果蝇胚胎神经活动可视化的方法之一就是在果蝇胚胎的神经元中表达一种有效的遗传编码钙指示剂（GECI）GCaMP [1]。通过延时成像可以监测GCaMP荧光信号的短时间内迅速变化，有助于更好地了解钙瞬变对模式生物生理活动的影响 [1]。

挑战对胚胎神经元动态成像

使用宽场荧光显微镜对厚样本（例如果蝇的整个胚胎）进行成像，经常会遭遇一项重大挑战，即光散射产生的非焦平面信号对成像结果的干扰 [4,5]。这种模糊的干扰会导致对胚胎内部感兴趣结构解析变得非常困难。

研究整个胚胎的方法

在神经元中表达GCaMP钙指示剂的黑腹果蝇的完整胚胎用作样本。采用搭载1x物镜的THUNDER Model Organism Imager全自动宏观显微成像系统，对确保处于适当的生理条件下的胚胎的成像。利用即时光学成像解析技术（ICC）消除原始宽场图像中常见的非焦平面信号造成的模糊干扰。通过对GCaMP信号的延时成像研究胚胎神经元中的钙瞬变。原始数据需要采集约4.5分钟，每张图像的曝光时间<400毫秒。

结果

图1显示了在神经元中表达GCaMP的果蝇胚胎图像。图2显示了通过果蝇胚胎神经元中的GCaMP信号变化显示钙瞬变的时间序列图像。所列出的图像之间平均时间间隔为10.47秒，左列显示原始宽场图像，右列显示THUNDER/ICC处理的图像。

图1：A）原始宽场图像和B）果蝇胚胎中钙瞬变的THUNDER图像。图片来自Arnaldo Carreira-Rosario博士以及美国加利福尼亚州的Clandinin实验室。
图1：A）原始宽场图像和B）果蝇胚胎中钙瞬变的THUNDER图像。图片来自Arnaldo Carreira-Rosario博士以及美国加利福尼亚州的Clandinin实验室。
图2：果蝇胚胎神经元中钙瞬变的延时序列成像。显示的图像平均时间间隔10.47秒，以说明GCaMP信号的表达随着时间变化。左列（图像2a、2c、2e、2g、2i、2k、2m、2o、2q）显示了原始宽场数据时间序列。右列（图像2b、2d、2f、2h、2j、2l、2n、2p、2r）显示了THUNDER/ICC处理的数据时间序列。图片来自Arnaldo Carreira-Rosario博士以及美国加利福尼亚州的Clandinin实验室。
图2：果蝇胚胎神经元中钙瞬变的延时序列成像。显示的图像平均时间间隔10.47秒，以说明GCaMP信号的表达随着时间变化。左列（图像2a、2c、2e、2g、2i、2k、2m、2o、2q）显示了原始宽场数据时间序列。右列（图像2b、2d、2f、2h、2j、2l、2n、2p、2r）显示了THUNDER/ICC处理的数据时间序列。图片来自Arnaldo Carreira-Rosario博士以及美国加利福尼亚州的Clandinin实验室。

结论

这里呈现的结果显示了与传统宽场显微镜相比，如何使用THUNDER Imager助力提升对黑腹果蝇胚胎中枢神经系统（CNS）发育和神经活动的研究。胚胎在其神经元中表达了GCaMP钙指示剂。利用延时成像，显示了胚胎神经元中的钙瞬变导致的GCaMP荧光信号的变化。这些结果有助于更好地了解钙瞬变对于胚胎神经发育的影响。

参考文献

  1. A. Carreira-Rosario, R.A. York, M. Choi, C.Q. Doe, T.R. Clandinin, Mechanosensory input during circuit formation shapes Drosophila motor behavior through patterned spontaneous network activity, Current Biology (2021) vol. 31, iss. 23, pp. 5341-5349-e1-e4, DOI: 10.1016/j.cub.2021.08.022.
  2. H. Li, J. Janssens, M. De Waegeneer, S. Saroja Kolluru, K. Davie, V. Gardeux, W. Saelens, F.P. A. David, M. Brbić, ..., S.R. Quake, ..., T.R. Clandinin, et al., Fly Cell Atlas: A single-nucleus transcriptomic atlas of the adult fruit fly, Science (2022) vol. 375, iss. 6584, eabk2432, DOI: 10.1126/science.abk2432.
  3. J. Schumacher, L. Bertrand, Real Time Images of 3D Specimens with Sharp Contrast Free of Haze: Technology Note THUNDER Imagers: How do they really work? Science Lab (2019) Leica Microsystems. 
  4. L. Felts, V. Kohli, J.M. Marr, J. Schumacher, O. Schlicker, An Introduction to Computational Clearing: A New Method to Remove Out-of-Focus Blur, Science Lab (2020) Leica Microsystems.
     

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