Dynamikken og forbindelsen af neurale kredsløb ændrer sig løbende på tidsskalaer, der spænder fra millisekunder til et dyrs levetid. Derfor, for at forstå biologiske netværk, kræves minimalt invasive metoder til at registrere dem i opførende dyr gentagne gange.
Forskere på EPFL har udviklet en implantationsteknik, der giver hidtil uset optisk adgang til "rygmarven" af frugtfluen, Drosophila melanogaster.
Forskere har digitalt forsøgt at rekapitulere principperne bag Drosophila motorkontrol. I 2019 udviklede de sig DeepFly3D– en deep-learning-baseret motion-capture software, der bruger flere kameravisninger til at kvantificere 3D lemmerbevægelserne af opførende fluer. I 2021 udviklede de Ramdyas team afsløret LiftPose3D– en metode til at rekonstruere 3D-dyrestillinger ud fra 2D-billeder taget fra et enkelt kamera.
Disse bestræbelser blev suppleret med deres udgivelse i 2022 til og med NeuroMechFly– den første morfologisk nøjagtige digitale "tvilling" af Drosophila.
Men der er altid flere udfordringer forude. Målet er ikke kun at kortlægge og forstå en organismes nervesystem – en ambitiøs opgave i sig selv – men også at opdage, hvordan man udvikler bio-inspirerede robotter, der er smidige som fluer.
Ramya sagde, "Den hindring, vi havde før dette arbejde, var, at vi kun kunne optage flyvemotoriske kredsløb i en kort periode, før dyrets helbred forværredes."
Derfor udviklede EPFL's School of Engineering-forskere værktøjer til at overvåge Drosophila neurale aktivitet i længere perioder.
Laura Hermans, ph.d. studerende, der stod i spidsen for projektet, sagde, "Vi udviklede mikrotekniske enheder, der giver optisk adgang til dyrets ventrale nervesnor. Vi implanterede derefter disse enheder kirurgisk i fluens thorax."
"Et af disse enheder, et implantat, giver os mulighed for at flytte fluens organer til side for at afsløre den ventrale nervesnor nedenfor. Vi forsegler derefter thorax med et gennemsigtigt mikrofabrikeret vindue. Når vi først har fluer med disse enheder, kan vi registrere fluens adfærd og neurale aktivitet på tværs af mange eksperimenter over lange tidsrum."
Disse værktøjer muliggør langvarig observation af et enkelt dyr af videnskabsmænd. Nu kan de udføre undersøgelser, der varer i dagevis eller endda hele fluens liv, i stedet for blot et par timer.
Hermans sagde, ”Vi kan for eksempel studere, hvordan et dyrs biologi tilpasser sig under sygdomsprogression. Vi kan også studere ændringer i neurale kredsløb aktivitet og struktur under aldring. Fluens ventrale nervesnor er ideel, fordi den er vært for dyrets motoriske kredsløb, hvilket giver os mulighed for at studere, hvordan bevægelsen udvikler sig over tid eller efter skade."
Selman Sakar sagde, "Som ingeniører higer vi efter veldefinerede tekniske udfordringer. Pavans gruppe har udviklet en dissektionsteknik til at fjerne de organer fra fluen, der blokerer for synsfeltet og visualiserer den ventrale nervesnor. Fluerne kan dog kun overleve et par timer efter operationen. Vi var overbevist om, at et implantat skulle placeres i thorax. Der er analoge teknikker til at visualisere nervesystemet hos større dyr såsom rotter. Vi fik inspiration fra disse løsninger og begyndte at tænke over miniaturiseringsproblematikken."
Tidlige design forsøgte at løse problemet med at fastholde og sikkert fjerne fluens indre organer for at afsløre det ventrale nervesystem, samtidig med at fluen kunne overleve efter operationen.
Sakar sagde, "Til denne udfordring har du brug for nogen, der kan nærme sig et problem med både biovidenskabelige og ingeniørmæssige perspektiver - dette understreger vigtigheden af Lauras [Hermans] og Murats [Kaynak] arbejde."
Kun få fluer overlevede de første implantater, fordi de var stive. Det krævede flere designændringer for at øge overlevelsesraten uden at forringe billedkvaliteten. Det vindende design - et V-formet kompatibelt implantat, der sikkert kan flytte fluens organer til side og afsløre den ventrale akkord, er enkelt, men effektivt. Dette gjorde det muligt for videnskabsmænd at forsegle hullet på neglebåndet med et "stregkodet thoraxvindue", som giver dem mulighed for at observere den ventrale nervestreng og foretage målinger af den neuronale aktivitet, mens fluen går i sit daglige liv.
Sakar sagde, "I betragtning af variationerne mellem dyr og dyr i anatomien var vi nødt til at finde en sikker og tilpasningsdygtig løsning. Vores implantat imødekommer dette særlige behov. Vi leverer et alsidigt værktøjssæt til neurovidenskabelig forskning sammen med udvikling af egnede vævsmikromanipulationsværktøjer og et 3D nanoprint-kompatibelt stadium til montering af dyr under gentagne billedbehandlingssessioner."
Ramya sagde, ”Ved at studere fluen tror vi på, at forståelsen af noget relativt simpelt kan lægge grunden til at forstå mere komplicerede organismer. Når du lærer matematik, dykker du ikke ned i lineær algebra; du lærer først at lægge til og trække fra. Derudover ville det for robotteknologi være fantastisk at forstå, hvordan selv et "simpelt" insekt fungerer."
"Det næste skridt for holdet er at bruge deres nye metode til at optrevle mekanismerne for Drosophila-bevægelseskontrol. Biologiske systemer er unikke sammenlignet med kunstige systemer ved, at de dynamisk kan modulere for eksempel neuronernes excitabilitet eller styrken af synapser. Så for at forstå, hvad der gør biologiske systemer så smidige, skal du være i stand til at observere denne dynamik. I vores tilfælde vil vi gerne se på, hvordan for eksempel motoriske systemer reagerer over et dyrs levetid på aldring eller under bedring efter skade."
Journal Reference:
- Laura Hermans, Murat Kaynak, Jonas Braun, et al. Mikrokonstruerede enheder muliggør langsigtet billeddannelse af den ventrale nervestreng i opførsel af voksne Drosophila. Nature Communications, 25. august 2022. DOI: 10.1038 / s41467-022-32571-y
