动物在逃避危险、进食或对抗感染等生存与繁衍过程中，其能力源于全身多个细胞类型之间瞬时的协同活动。生理学研究旨在阐明跨越器官、细胞类型和时间尺度的这些细胞相互作用，但一直受限于无法同时记录整个身体内随时间变化的细胞活动。本研究开发了“整体生物活体成像系统WHOLISTIC”（用于记录组织及细胞内活动），该方法能够在细胞分辨率下，对脊椎动物全身范围内的次时序细胞活动进行成像。WHOLISTIC整合了体积荧光显微镜、机器学习技术以及全细胞转基因表达钙离子传感器1，并在幼年斑马鱼中得到验证，同时在成年脑杆菌中实现了概念验证。

图2、通过WHOLISTIC进行器官内及器官间耦合的识别与因果检验。a，斑马鱼肌肉解剖模型。b，按分形图（左）层级有序排列的肌肉功能集合的互相关矩阵。c，突出不同肌肉群协同激活的时间点（最大强度投影ΔF；左）d，前运动神经通路重建：支配颈背肌和胸骨舌骨肌的脊髓-枕神经（上部），以及支配后C-epax肌和后轴肌的脊神经（下部）。e，修订后的肌肉解剖模型。f，组织运动响应的滞后回归模型。g，运动响应核函数及三重交叉验证的方差解释度（细胞平均值）。h，游动前6秒和游动后6秒的组织活性示例。i，验证神经胶质细胞运动响应性的策略。状面线段显示了在脑室旁神经细胞中表达GCaMP7f以及红色钙指示剂的分布，附有后脑和脊髓的插图（底部）。 j，使用独立通道拟合的脑室旁神经细胞运动反应核，来自Tg(foxj1a:GCaMP7f)；Tg(ubi:tTA;TRE:jRGECO1b)的面板i。 k，单个运动事件中肌肉功率与脑室旁神经细胞活动功率的散点图。l，后脑及胃食管括约肌（GP）的位置（左侧）。大脑最大投影，按括约肌钙活动所解释的方差（R²）进行α加权，叠加于解剖参考图（灰色）上；胃食管括约肌以深红色标示（右侧）。  m，整体成像过程中对运动迷走神经细胞进行光遗传刺激的策略（左侧）。刺激触发的平均响应叠加于解剖参考图（试验次数=10）；刺激部位及完整的运动迷走神经轮廓标示（右侧）。 n，胃食管括约肌钙活动对尾部运动迷走神经元光遗传激活呈现剂量依赖性响应。o，刺激尾侧运动迷走神经或脊髓沿控制区域后胃括约肌的荧光变化。p，光遗传学在运动迷走神经上的铺网分布。

图3、发现运动静止耦合的超慢振荡及其来源细胞类型。a，后脑和脊髓的中线细胞在长时间运动静止期间表现出高幅度的超慢振荡。 b，两种活动状态下的信号轨迹：活跃期（肌细胞与神经上皮细胞活动耦合，左）和运动静止期（神经上皮细胞振荡动力学，右）。c，在3小时时间窗口内振荡细胞与肌肉活动的频谱功率，显示反相关动态（中线细胞群体及肌肉的周期性带分别为1–5分钟和6–20秒）。d，振荡期与非振荡期运动活动的量化结果，来自同时表现出两种运动状态的鱼类）。e，钙离子波沿后脑基底的传播过程。连续时间点及ΔF叠加于解剖参考图（灰色）所示。f，WB-ExM实验方案示意图。g，神经上皮细胞的位置。 h，单个后脑室神经上皮细胞的示意图。  i，利用foxj1a启动子成像神经上皮细胞的遗传策略。foxj1a转基因系的矢状切片（最大强度投影）。  j，沿后脑和脊髓的神经上皮细胞活动的时序图，显示在约30分钟内出现局部行波以及偶发的稀疏运动活动（上方）。  k，从图j中的时序图数据导出的交叉相干矩阵，显示块对角结构，表明存在局部相干簇（左侧）。  l，神经上皮细胞的周期图活动（左图），显示了示例标本中的种群平均值（深色）和单个细胞（浅色）。

图4、整体注册。a，注册结果。实验开始时（绿色）与记录1小时后（洋红色）的数据叠加。b，注册结果验证。左上：用于验证的双转基因系（Tg(β-actin2:mCherry-CAAX; phox2bb:eGFP)），并附有肠道放大视图——该区域在注册中最具挑战性。c，注册方法比较。合成数据集通过将已知的运动场应用于实验图像，并调整位移平滑度（σk）、振幅（A）和噪声，以测试其鲁棒性。

图5、揭示一种参与应激反应的全身性通路。 a，缺氧模型：循环性常氧（21% O₂）与缺氧（10% O₂）周期。b，细胞氧调节分数的全身分布图（最大强度投影）。d，用于成像并估算血管直径的方法（Tg(flk1:dsRED-CAAX)）。e，实验期间肠系膜动脉直径。  f，常氧与缺氧状态下肠系膜动脉直径。  g，成像血流时利用光遗传沉默大脑的策略。h，缺氧时肠系膜血流减少。左侧为常氧状态下的动物矢状切面，右侧为缺氧状态下的平均图像（持续10秒）。  i，光遗传抑制后脑区可恢复肠道血流。图示缺氧及光遗传神经抑制对肠系膜（上）和脑动脉（下）血流的影响。后脑区的光遗传失活以红色标示，心脏的对照光刺激以蓝色标示。 j，常氧与缺氧条件下肠系膜动脉及脑部的血流情况。k，中间的实线表示紧凑细胞群体对缺氧表现出急性且持续的反应，可能为交感神经节。l，功能组织簇的栅格图像，对应于中线人口（左上），以及该栅格的均值和标准差（左下）。图中还显示了缺氧与正常氧合状态下平均人口钙水平的比较。m，用于特异性成像交感神经节（Tg(th:gal4;UAS:GCaMP6f)）的策略。n，交感神经节的位置。o，交感纤维（绿色）与肠系膜动脉（洋红色）的并列分布。与图n中的样本相同。图中显示了血管系统（洋红色）、自主神经系统（绿色）以及总蛋白染色（深金色）。


结论与展望


为获取所测动态过程的分子与超微结构基质信息，我们进一步发展了全身扩展显微镜。在细胞层面，全身扫描揭示了出人意料的响应，包括软骨细胞对低温的反应以及脑膜对氯胺酮的反应。在器官尺度上，WHOLISTIC识别出沿肾小管的节律性传播波。在多器官尺度上，它揭示了未知的肌肉协同作用和肌肉-器官相互作用。在全机体尺度上，该方法捕捉到了由脑干调控的全身血流再分布。将光遗传学与WHOLISTIC结合，实现了对脑-体相互作用的全光学因果剖析。这些进展为系统生物学建立了一个范式，连接细胞与机体生理学，使从基础机制到治疗靶点的跨尺度综合发现成为可能。在本论文的实验过程中，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,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。通过unisense微电级系统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。