3D functional imaging of neuronal activity in entire organisms at single cell level and physiologically relevant time scales faces major obstacles due to trade-offs between the size of the imaged volumes, and spatial and temporal resolution. Here, using light-field microscopy in combination with 3D deconvolution, we demonstrate intrinsically simultaneous volumetric functional imaging of neuronal population activity at single neuron resolution for an entire organism, the nematode Caenorhabditis elegans. The simplicity of our technique and possibility of the integration into epi-fluoresence microscopes makes it an attractive tool for high-speed volumetric calcium imaging.

Brillouin microscopy (BM) can be used to assess the mechanical properties of biological samples in a 3D, all-optical, and hence non-contact fashion, but its weak signals require long imaging times and illumination dosages harmful to living organisms. Here, we present a line-scanning Brillouin microscope optimized for fast and high-resolution live-imaging of dynamic biological processes with low photo-toxicity. In combination with fluorescence light-sheet imaging, we demonstrate the capabilities of our microscope to visualize the mechanical properties of cells and tissues over space and time in living model organisms such as fruit flies, ascidians, and mouse embryos.

Summary During development, organisms interact with their natural habitats while undergoing morphological changes, yet it remains unclear whether the interplay between developing systems and their environments impacts animal morphogenesis. Here, we use the cnidarian Nematostella vectensis as a developmental model to uncover a mechanistic link between organism size, shape and behavior. Using quantitative live imaging, including extensive behavioral profiling, combined with molecular and biophysical experiments, we demonstrate that the muscular hydraulic machinery that controls body movement directly drives larva-polyp morphogenesis. Unexpectedly, size and shape development are differentially controlled by antagonistic muscles. A simple theoretical model shows how a combination of slow-priming and fast-pumping pressures generated by muscular hydraulics acts as a global mechanical regulator that coordinates tissue remodeling. Altogether, our findings illuminate how dynamic behavioral modes in the environment can be harnessed to drive morphogenetic trajectories, establishing ethology as a critical component of organismal morphogenesis – termed ethology of morphogenesis.

Light-field microscopy (LFM) has emerged as a powerful tool for fast volumetric image acquisition in biology, but its effective throughput and widespread use has been hampered by a computationally demanding and artefact-prone image reconstruction process. Here, we present a novel framework consisting of a hybrid light-field light-sheet microscope and deep learning-based volume reconstruction, where single light-sheet acquisitions continuously serve as training data and validation for the convolutional neural network reconstructing the LFM volume. Our network delivers high-quality reconstructions at video-rate throughput and we demonstrate the capabilities of our approach by imaging medaka heart dynamics and zebrafish neural activity.

Multi-photon microscopy has become a powerful tool to visualize the morphology and function of neural cells and circuits in the intact mammalian brain. Yet, tissue scattering, optical aberrations, and motion artifacts degrade the achievable image quality with depth. Here we developed a minimally invasive intravital imaging methodology by combining three-photon excitation, indirect adaptive optics correction, and active electrocardiogram gating to achieve near-diffraction limited resolution up to a depth of 1.2mm in the mouse brain. We demonstrate near-diffraction-limited imaging of deep cortical and sub-cortical dendrites and spines as well as of calcium transients in deep-layer astrocytes in vivo .

Brillouin microscopy is an emerging optical elastography technique capable of assessing mechanical properties of biological samples in a 3D, all-optical and hence non-contact fashion. The typically weak Brillouin scattering signal can be substantially enhanced via a stimulated photon-phonon process, which improves the signal-to-background ratio (SBR) as well as provides higher spectral resolution. However, current implementations of stimulated Brillouin spectroscopy (SBS) require high pump powers, which prohibit applications in many areas of biology, especially when studying photosensitive samples, or when live-imaging in 3D and/or over extended time periods. Here, we present a pulsed SBS scheme that takes full advantage of the non-linearity of the pump-probe interaction in SBS. In particular, we show that through quasi-pulsing and diligent optimization of signal detection parameters, the required pump laser power can be decreased ~20-fold without affecting the signal levels or spectral precision. Moreover, we devise a custom analysis approach that facilitates the analysis of complex, multi-peaked Brillouin spectra in order to harness the high spectral resolution of SBS for the specific identification of biomechanical components inside the point-spread function of the microscope. We then demonstrate the low-phototoxicity and high-specificity of our pulsed SBS approach by imaging sensitive single cells, zebrafish larvae, and mouse embryos as well as adult C. elegans with sub-cellular detail. Furthermore, our method permits observing the mechanics of organoids and C. elegans embryos over time. We expect that the substantially lower photo-burden and improved SBR of pulsed SBS will facilitate studying biomechanics in 3D at high spatio-temporal resolution in living biological specimens in a non-invasive manner, opening up exciting new possibilities for the field of mechanobiology.

Abstract In early mammalian development, the maturation of follicles containing the immature oocytes is an important biological process as the functional oocytes provide the bulk genetic and cytoplasmic materials for successful reproduction. Despite recent work demonstrating the regulatory role of mechanical stress in oocyte growth, quantitative studies of ovarian mechanical properties remain lacking both in vivo and ex vivo . In this work, we quantify the material properties of ooplasm, follicles and connective tissues in intact mouse ovaries at distinct stages of follicle development using Brillouin microscopy, a non-invasive tool to probe mechanics in three-dimensional (3D) tissues. We find that the ovarian cortex and its interior stroma have distinct material properties associated with extracellular matrix deposition, and that intra-follicular mechanical compartments emerge during follicle maturation. Our work provides a novel approach to study the role of mechanics in follicle morphogenesis and pave the way for future understanding of mechanotransduction in reproductive biology, with potential implications for infertility diagnosis and treatment.

Abstract Several important questions in biology require non-invasive and three-dimensional imaging techniques with appropriate spatiotemporal resolution that permit live organisms to move in an unconstrained fashion over an extended field-of-view. While selective-plane illumination microscopy (SPIM) has emerged as a powerful method to observe live biological specimens at high spatio-temporal resolution, typical implementations often necessitate constraining sample mounting or lack the required volumetric speed. Here, we report on an open-top, dual-objective oblique plane microscope (OPM) capable of observing millimeter sized, freely moving animals at cellular resolution. We demonstrate the capabilities of our mesoscopic OPM (MesOPM) by imaging the behavioural dynamics of the sea anemone Nematostella vectensis over 1.56 × 1.56 × 0.25 mm at 1.5 × 2.8 × 5.3µm resolution and 0.5Hz volume rate.

A hallmark of animals is the coordination of whole-body movement. Neurons and muscles are central to this, yet coordinated movements also exist in sponges that lack these cell types. Sponges are sessile animals with a complex canal system for filter-feeding. They undergo whole-body movements resembling “contractions” that lead to canal closure and water expulsion. Here, we combine 3D optical coherence microscopy, pharmacology, and functional proteomics to elucidate anatomy, molecular physiology, and control of these movements. We find them driven by the relaxation of actomyosin stress fibers in epithelial canal cells, which leads to whole-body deflation via collapse of the incurrent and expansion of the excurrent system, controlled by an Akt/NO/PKG/A pathway. A concomitant increase in reactive oxygen species and secretion of proteinases and cytokines indicate an inflammation-like state reminiscent of vascular endothelial cells experiencing oscillatory shear stress. This suggests an ancient relaxant-inflammatory response of perturbed fluid-carrying systems in animals. Highlights Sponge deflation is driven by tension release in actomyosin stress fibers of epithelial pinacocytes Akt kinase/Nitric oxide/Protein kinase G/A regulate actomyosin relaxation Agitation-induced deflation coincides with an inflammatory state The sponge relaxant-inflammatory response is evolutionary related to similar responses in the vertebrate vascular system