تتغير ديناميكيات وتوصيلية الدوائر العصبية باستمرار على نطاقات زمنية تتراوح من ميلي ثانية إلى عمر الحيوان. لذلك ، لفهم الشبكات البيولوجية ، يلزم استخدام أساليب طفيفة التوغل لتسجيلها في سلوك الحيوانات بشكل متكرر.
العلماء في EPFL طوروا تقنية غرس تسمح بوصول بصري غير مسبوق إلى "النخاع الشوكي" لذبابة الفاكهة ، Drosophila melanogaster.
كان العلماء يحاولون رقميًا تلخيص المبادئ الكامنة وراء التحكم في محرك ذبابة الفاكهة. في عام 2019 ، طوروا ديب فلاي3D- برنامج التقاط الحركة القائم على التعلم العميق الذي يستخدم طرق عرض متعددة للكاميرا لتحديد حركات الأطراف ثلاثية الأبعاد للذباب المتصرف. في عام 3 ، تم تطوير فريق رامديا LiftPose3D- طريقة لإعادة تشكيل أشكال حيوانات ثلاثية الأبعاد من صور ثنائية الأبعاد مأخوذة من كاميرا واحدة.
واستكملت هذه الجهود بنشرها في عام 2022 حتى نهاية العام نيوروميكفلاي- أول "توأم" رقمي دقيق شكليًا من ذبابة الفاكهة.
لكن هناك دائمًا المزيد من التحديات في المستقبل. الهدف ليس فقط رسم خريطة للكائن الحي وفهمه الجهاز العصبي - مهمة طموحة في حد ذاتها - ولكن أيضًا لاكتشاف كيفية تطوير روبوتات مستوحاة من الأحياء تكون رشيقة مثل الذباب.
قالت راميا ، "العقبة التي كانت لدينا قبل هذا العمل هي أننا لم نتمكن من تسجيل الدوائر الحركية إلا لفترة قصيرة من الوقت قبل أن تتدهور صحة الحيوان."
ومن ثم ، طور علماء كلية الهندسة في EPFL أدوات لمراقبة النشاط العصبي ذبابة الفاكهة لفترات أطول.
لورا هيرمانز ، دكتوراه. قال الطالب الذي قاد المشروع ، لقد طورنا أجهزة هندسية دقيقة توفر وصولاً بصريًا إلى الحبل العصبي البطني للحيوان. ثم قمنا بعد ذلك بزرع هذه الأجهزة جراحيًا في صدر الذبابة ".
"أحد هذه الأجهزة ، وهو غرسة ، يسمح لنا بتحريك أعضاء الذبابة جانبًا للكشف عن الحبل العصبي البطني أدناه. ثم نقوم بإغلاق القفص الصدري بنافذة دقيقة التصنيع. بمجرد أن يكون لدينا ذباب بهذه الأجهزة ، يمكننا تسجيل سلوك الذبابة ونشاطها العصبي عبر العديد من التجارب على مدى فترات زمنية طويلة ".
تتيح هذه الأدوات مراقبة العلماء لحيوان واحد لفترات طويلة. الآن ، يمكنهم إجراء دراسات تستمر لأيام أو حتى حياة الذبابة بأكملها ، بدلاً من بضع ساعات فقط.
قال هيرمانس ، "على سبيل المثال ، يمكننا دراسة كيفية تكيف بيولوجيا الحيوان أثناء تطور المرض. يمكننا أيضًا دراسة التغييرات في الدائرة العصبية النشاط والهيكل أثناء الشيخوخة. يعتبر الحبل العصبي البطني للذبابة مثاليًا لأنه يستضيف الدوائر الحركية للحيوان ، مما يسمح لنا بدراسة كيفية تطور الحركة بمرور الوقت أو بعد الإصابة ".
قال سلمان صقر ، "كمهندسين ، نتوق إلى تحديات تقنية محددة جيدًا. طورت مجموعة بافان تقنية تشريح لإزالة الأعضاء من الذبابة التي تحجب مجال الرؤية وتصور الحبل العصبي البطني. ومع ذلك ، يمكن للذباب البقاء على قيد الحياة فقط لبضع ساعات بعد الجراحة. كنا مقتنعين بضرورة وضع الغرسة داخل القفص الصدري. هناك تقنيات مماثلة لتصور الجهاز العصبي للحيوانات الكبيرة مثل الفئران. لقد استلهمنا من هذه الحلول وبدأنا التفكير في مسألة التصغير ".
حاولت التصميمات المبكرة حل مشكلة الاحتفاظ بالأعضاء الداخلية للذبابة وإزالتها بأمان لكشف نظام العصب البطني مع السماح للذباب بالبقاء على قيد الحياة بعد الجراحة.
قال صقر ، "بالنسبة لهذا التحدي ، فأنت بحاجة إلى شخص يمكنه التعامل مع مشكلة من منظور علوم الحياة والهندسة - وهذا يسلط الضوء على أهمية عمل Laura [Hermans] و Murat [Kaynak]."
نجا عدد قليل فقط من الذباب من الغرسات الأولية لأنها كانت قاسية. تطلبت تغييرات متعددة في التصميم لزيادة معدلات البقاء على قيد الحياة دون الإضرار بجودة التصوير. التصميم الفائز - غرسة متوافقة على شكل حرف V يمكنها تحريك أعضاء الذبابة جانباً بشكل آمن وتكشف عن الوتر البطني ، بسيطة لكنها فعالة. وقد مكّن هذا العلماء من سد الثقب الموجود على الجلد باستخدام "نافذة صدرية مشفرة" ، مما يسمح لهم بمراقبة الحبل العصبي البطني وإجراء قياسات للنشاط العصبي أثناء استمرار الذبابة في حياتها اليومية.
قال صقر ، "بالنظر إلى الاختلافات من حيوان إلى حيوان في علم التشريح ، كان علينا إيجاد حل آمن وقابل للتكيف. غرسة لدينا تلبي هذه الحاجة الخاصة. نحن نقدم مجموعة أدوات متعددة الاستخدامات لأبحاث علم الأعصاب ، جنبًا إلى جنب مع تطوير أدوات المعالجة الدقيقة للأنسجة ومرحلة متوافقة مع الطباعة النانوية ثلاثية الأبعاد لتركيب الحيوانات أثناء جلسات التصوير المتكررة. "
راميا محمد, "من خلال دراسة الذبابة ، نعتقد أن فهم شيء بسيط نسبيًا يمكن أن يضع الأساس لفهم الكائنات الحية الأكثر تعقيدًا. عندما تتعلم الرياضيات ، لا تغوص في الجبر الخطي ؛ تتعلم كيفية الجمع والطرح أولاً. بالإضافة إلى ذلك ، بالنسبة للروبوتات ، سيكون من الرائع أن نفهم كيف تعمل حشرة "بسيطة". "
تتمثل الخطوة التالية للفريق في استخدام منهجيتهم الجديدة لكشف آليات التحكم في حركة ذبابة الفاكهة. تعتبر النظم البيولوجية فريدة من نوعها مقارنة بالأنظمة الاصطناعية من حيث أنها يمكن أن تعدل ديناميكيًا ، على سبيل المثال ، استثارة الخلايا العصبية أو قوة نقاط الاشتباك العصبي. لذا لفهم ما الذي يجعل الأنظمة البيولوجية سريعة الحركة ، يجب أن تكون قادرًا على مراقبة هذه الديناميكية. في حالتنا ، نود أن ننظر في كيفية ، على سبيل المثال ، استجابة الأنظمة الحركية على مدى عمر الحيوان للشيخوخة أو أثناء التعافي بعد الإصابة ".
المرجع مجلة:
- لورا هيرمانز ومورات كايناك وجوناس براون وآخرون. تتيح الأجهزة المصممة هندسيًا تصويرًا طويل المدى للحبل العصبي البطني في سلوك ذبابة الفاكهة البالغة. طبيعة الاتصالات، 25 أغسطس 2022. DOI: 10.1038 / s41467-022-32571 ذ
