研究简介:本研究旨在开发一种能够同时观测活体动物所有器官细胞活动的新型成像方法。该技术可能结合基因编码的钙指示剂与光片显微镜，以单细胞分辨率和足够的时间精度捕获全身范围的动态信号。实验设计通常涉及对清醒或麻醉动物进行全器官扫描，以记录神经元、胶质细胞及其他细胞类型的活动模式。研究发现，不同器官的细胞活动并非彼此孤立，而是表现出显著的同步性和周期性，提示存在跨器官的神经和体液调控网络。这些网络类似于电路，通过特定的信号通路协调感觉输入、运动输出以及内脏功能的整合。某些器官（如心脏、肠道和皮肤）的活动与脑干或皮层的节律密切相关，表明全身生理过程受到中枢和外周系统的共同调节。该工作不仅为理解正常状态下的全身协调机制提供了技术支撑，也为分析疾病模型中异常电路的形成与修复开辟了新的途径。在方法学上，挑战包括如何平衡成像深度、速度与组织光损伤，以及如何处理海量多维数据以重建全身网络。尽管存在这些限制，初步结果已表明该技术能够揭示以往无法察觉的跨器官相互作用，例如压力或刺激如何引发全身连锁反应。这项研究的意义在于打破了传统单器官研究的局限，推动系统生物学向“全身水平”整合迈进，为神经科学、免疫学和代谢研究提供了统一的框架。未来该技术可能被用于追踪药物反应、监测慢性疾病演变以及评估干预措施对全身网络的影响，从而加速精准医学的发展。本研究提出了一种颠覆性的成像工具，使科学家能够以“电路图”的形式直观理解生命活动的时空动态，为治疗新一轮的生理病理研究奠定了基础。


Unisense微电极系统的应用


研究团队使用了一款型号为O₂ MicroOptode的Unisense氧微电极，并将其插入水浸琼脂糖中，以实时监测实验浴槽内的氧气浓度变化，从而客观记录从常氧（21% O₂）降至低氧（10% O₂）再恢复的动态过程。该设备所测得的数据被用于拟合一个单指数模型，最终计算出该模型能解释约86%的数据方差，且时间常数约为1.2分钟，这说明氧电极能够在时间尺度上精准地反映缺氧刺激的施加与移除速率，为后续全身细胞活动分析提供了可靠的环境变量依据。该Unisense氧微电极发挥了两方面的关键作用。一方面，它验证了缺氧协议在实际操作中确能达到预期的目标氧浓度，另一方面，它通过精确的时间锁定记录，使得研究者能够将氧浓度变化与细胞钙信号、血流调节等生理反应进行严格的因果关联，从而支撑了关于应激状态下全身性回路激活的结论。


图1、全身细胞内钙动态的全貌成像。a，WHOLISTIC的示意图。b，转基因斑马鱼（受精后7天）在全身范围内表达GCaMP7f，采用旋转盘共聚焦显微镜成像。样本横向固定以便观察内脏结构。c，基于全身扩展显微镜（WB-ExM）数据构建的年轻斑马鱼解剖模型注释图（放大示例）。d，单荧光通道可利用不同视觉纹理识别器官和组织（放大示例）。e，体积成像采集范式及典型采集参数。荧光强度变化反映了细胞内钙的变化。图像覆盖800 μm × 600 μm区域，以约9 μm为步长采集，深度约为130 μm，使用×20倍0.75 NA物镜。f，利用多尺度迭代估计局部运动场进行配准的工作流程。g，配准结果。初始记录（绿色）与实验开始1小时后的记录（洋红色；上图）叠加显示。h，双色成像（全细胞成像）GCaMP增强型膜靶向RFP（左图），以及示例组织（右图），显示了前肾小管肾的三维模型及放大视图（肾小球（G）和近端小管：降支（DL）和升支（AL））。i，细胞级分割（约束非负矩阵分解）。j，基于一致性的光谱聚类。图 inset 展示肾脏肾单位聚类结果的放大视图（11个功能组织集合）。k，按首次钙活动峰值出现时间排序的肾单位簇（左图），以及单个肾爆发内细胞活动的栅格图，按功能区域分组，并在各区域内部使用Rastermap进行排序。 m，种群水平动态。显示不同动态特征的典型功能组织集合的平均活性：高频（例如神经元和肌肉）、缓慢发展（例如肾组织）、持续双稳态（例如交感神经节）以及振荡性（例如肠组织）活动。



实验结论


研究证明了其方法能够在活体脊椎动物中，以单细胞分辨率和秒级时间尺度，成像近所有细胞的钙活动，并发现“即使在没有任何特定刺激的情况下，大多数细胞类型也表现出可测量的、秒级的钙波动。研究揭示了新的生理现象：发现了软骨细胞对寒冷的先前未知反应，以及脑膜边界细胞对氯胺酮的响应。在器官尺度上，研究捕捉到肾脏肾单位沿其走向的节律性“行波”，并推测肾小球滤过或腔内流动可能“在更短的时间尺度上是间歇性和搏动性的”。在肌肉系统研究中，发现了一个此前“尚未见报道”的“颈段轴上肌”功能群，其活动与腹肌协同，而非与主导的轴上肌同步。研究结合光遗传学等手段，对发现的跨器官耦合进行了因果检验。确认了后脑对缺氧期间肠系膜动脉收缩和血流重分配的必要性，证明该脑-肠通路在幼鱼阶段已具备功能发现了一类在运动静止期表现出超慢振荡（周期3-7分钟）的室管膜细胞，并通过细胞类型特异性成像确认了其来源，证明这些细胞的活动受到运动状态的调控。本研究确立了一种“连接细胞生理学和有机体生理学的范式”，使得从“基础机制到治疗靶点”的跨尺度全面发现成为可能。