Η δυναμική και η συνδεσιμότητα των νευρωνικών κυκλωμάτων αλλάζουν συνεχώς σε χρονικές κλίμακες που κυμαίνονται από χιλιοστά του δευτερολέπτου έως τη διάρκεια ζωής ενός ζώου. Ως εκ τούτου, για την κατανόηση των βιολογικών δικτύων, απαιτούνται ελάχιστα επεμβατικές μέθοδοι για την καταγραφή τους στη συμπεριφορά των ζώων επανειλημμένα.
Επιστήμονες στο EPFL έχουν αναπτύξει μια τεχνική εμφύτευσης που επιτρέπει άνευ προηγουμένου οπτική πρόσβαση στο «νωτιαίο μυελό» της μύγας, Drosophila melanogaster.
Οι επιστήμονες προσπαθούν ψηφιακά να ανακεφαλαιώσουν τις αρχές που διέπουν τον έλεγχο του κινητήρα της Drosophila. Το 2019 αναπτύχθηκαν DeepFly3D– ένα λογισμικό καταγραφής κίνησης που βασίζεται σε βαθιά μάθηση που χρησιμοποιεί πολλαπλές προβολές κάμερας για να ποσοτικοποιήσει τις τρισδιάστατες κινήσεις των άκρων των μυγών που συμπεριφέρονται. Το 3, ανέπτυξαν την ομάδα του Ramdya αποκάλυψε LiftPose3D– μια μέθοδος για την ανακατασκευή τρισδιάστατων στάσεων ζώων από εικόνες 3D που λαμβάνονται από μία μόνο κάμερα.
Αυτές οι προσπάθειες συμπληρώθηκαν με τη δημοσίευσή τους το 2022 έως NeuroMechFly– το πρώτο μορφολογικά ακριβές ψηφιακό «δίδυμο» της Drosophila.
Αλλά υπάρχουν πάντα περισσότερες προκλήσεις μπροστά. Ο στόχος δεν είναι μόνο η χαρτογράφηση και η κατανόηση του οργανισμού ενός οργανισμού νευρικού συστήματος – ένα φιλόδοξο έργο από μόνο του – αλλά και να ανακαλύψετε πώς να αναπτύξετε ρομπότ βιολογικής έμπνευσης που είναι τόσο ευκίνητα όσο οι μύγες.
Η Ramya είπε, «Το εμπόδιο που είχαμε πριν από αυτή την εργασία ήταν ότι μπορούσαμε να καταγράψουμε κυκλώματα μύγας μόνο για σύντομο χρονικό διάστημα πριν επιδεινωθεί η υγεία του ζώου».
Ως εκ τούτου, οι επιστήμονες της Σχολής Μηχανικών του EPFL ανέπτυξαν εργαλεία για την παρακολούθηση της νευρικής δραστηριότητας της Drosophila για μεγαλύτερες περιόδους.
Η Laura Hermans, Ph.D. μαθητής που πρωτοστάτησε στο έργο, είπε, «Αναπτύξαμε μικρομηχανικές συσκευές που παρέχουν οπτική πρόσβαση στο κοιλιακό νευρικό κορδόνι του ζώου. Στη συνέχεια, εμφυτεύσαμε χειρουργικά αυτές τις συσκευές στο θώκο της μύγας».
«Μία από αυτές τις συσκευές, ένα εμφύτευμα, μας επιτρέπει να μετακινήσουμε τα όργανα της μύγας στην άκρη για να αποκαλύψουμε το κοιλιακό νεύρο από κάτω. Στη συνέχεια σφραγίζουμε τον θώρακα με ένα διαφανές μικροκατασκευασμένο παράθυρο. Μόλις έχουμε μύγες με αυτές τις συσκευές, μπορούμε να καταγράψουμε τη συμπεριφορά και τη νευρική δραστηριότητα της μύγας σε πολλά πειράματα για μεγάλα χρονικά διαστήματα.»
Αυτά τα εργαλεία επιτρέπουν την παρατεταμένη παρατήρηση ενός μόνο ζώου από επιστήμονες. Τώρα, μπορούν να διεξάγουν μελέτες που διαρκούν μέρες ή ακόμα και ολόκληρη τη ζωή της μύγας, αντί για λίγες ώρες.
Ο Χέρμανς είπε, «Για παράδειγμα, μπορούμε να μελετήσουμε πώς προσαρμόζεται η βιολογία ενός ζώου κατά την εξέλιξη της νόσου. Μπορούμε επίσης να μελετήσουμε τις αλλαγές σε νευρωνικό κύκλωμα δραστηριότητα και δομή κατά τη γήρανση. Το κοιλιακό νεύρο της μύγας είναι ιδανικό επειδή φιλοξενεί το κινητικό κύκλωμα του ζώου, επιτρέποντάς μας να μελετήσουμε πώς εξελίσσεται η κίνηση με την πάροδο του χρόνου ή μετά από τραυματισμό.»
Ο Selman Sakar είπε, «Ως μηχανικοί, επιθυμούμε σαφώς καθορισμένες τεχνικές προκλήσεις. Η ομάδα του Pavan έχει αναπτύξει μια τεχνική ανατομής για την αφαίρεση των οργάνων από τη μύγα που μπλοκάρουν το οπτικό πεδίο και οπτικοποιούν το κοιλιακό νεύρο. Ωστόσο, οι μύγες μπορούν να επιβιώσουν μόνο για λίγες ώρες μετά την επέμβαση. Ήμασταν πεπεισμένοι ότι ένα εμφύτευμα έπρεπε να τοποθετηθεί εντός του θώρακα. Υπάρχουν ανάλογες τεχνικές για την οπτικοποίηση του νευρικού συστήματος μεγαλύτερων ζώων όπως οι αρουραίοι. Εμπνευστήκαμε από αυτές τις λύσεις και αρχίσαμε να σκεφτόμαστε το θέμα της μικρογραφίας».
Τα πρώτα σχέδια προσπάθησαν να λύσουν το πρόβλημα της συγκράτησης και της ασφαλούς αφαίρεσης των εσωτερικών οργάνων της μύγας για να εκτεθεί το κοιλιακό νευρικό σύστημα, ενώ επέτρεπε στη μύγα να επιβιώσει μετά την επέμβαση.
Ο Σακάρ είπε, «Για αυτήν την πρόκληση, χρειάζεστε κάποιον που μπορεί να προσεγγίσει ένα πρόβλημα τόσο με τις επιστήμες της ζωής όσο και με τις προοπτικές της μηχανικής – αυτό υπογραμμίζει τη σημασία του έργου της Laura [Hermans] και του Murat [Kaynak]».
Μόνο μερικές μύγες επέζησαν από τα αρχικά εμφυτεύματα επειδή ήταν δύσκαμπτες. Απαιτούσε πολλαπλές αλλαγές σχεδιασμού για να αυξηθούν τα ποσοστά επιβίωσης χωρίς να υποβαθμιστεί η ποιότητα της απεικόνισης. Το νικητήριο σχέδιο - ένα συμβατό εμφύτευμα σε σχήμα V που μπορεί να μετακινήσει με ασφάλεια τα όργανα της μύγας στην άκρη και να αποκαλύψει την κοιλιακή χορδή, είναι απλό αλλά αποτελεσματικό. Αυτό επέτρεψε στους επιστήμονες να σφραγίσουν την τρύπα στην επιδερμίδα με ένα «γραμμωτό θωρακικό παράθυρο», το οποίο τους επιτρέπει να παρατηρούν το κοιλιακό νεύρο και να κάνουν μετρήσεις της νευρωνικής δραστηριότητας καθώς η μύγα συνεχίζει την καθημερινή της ζωή.
Ο Σακάρ είπε, «Λαμβάνοντας υπόψη τις παραλλαγές από ζώο σε ζώο στην ανατομία, έπρεπε να βρούμε μια ασφαλή και προσαρμοστική λύση. Το εμφύτευμά μας καλύπτει αυτή τη συγκεκριμένη ανάγκη. Παρέχουμε μια ευέλικτη εργαλειοθήκη για έρευνα νευροεπιστήμης, μαζί με την ανάπτυξη κατάλληλων εργαλείων μικροχειρισμού ιστών και ένα συμβατό στάδιο τρισδιάστατου νανοτυπωμένου για την τοποθέτηση ζώων κατά τη διάρκεια επαναλαμβανόμενων συνεδριών απεικόνισης».
Ramya είπε, «Μελετώντας τη μύγα, πιστεύουμε ότι η κατανόηση κάτι σχετικά απλού μπορεί να θέσει τις βάσεις για την κατανόηση πιο περίπλοκων οργανισμών. Όταν μαθαίνεις μαθηματικά, δεν βουτάς στη γραμμική άλγεβρα. μαθαίνεις πρώτα να προσθέτεις και να αφαιρείς. Επιπλέον, για τη ρομποτική, θα ήταν φανταστικό να καταλάβουμε πώς λειτουργεί ακόμη και ένα «απλό» έντομο».
«Το επόμενο βήμα για την ομάδα είναι να χρησιμοποιήσει τη νέα της μεθοδολογία για να ξετυλίξει τους μηχανισμούς ελέγχου της κίνησης της Drosophila. Τα βιολογικά συστήματα είναι μοναδικά σε σύγκριση με τα τεχνητά συστήματα στο ότι μπορούν να διαμορφώσουν δυναμικά, για παράδειγμα, τη διεγερσιμότητα των νευρώνων ή την ισχύ των συνάψεων. Για να καταλάβετε λοιπόν τι κάνει τα βιολογικά συστήματα τόσο ευκίνητα, πρέπει να είστε σε θέση να παρατηρήσετε αυτόν τον δυναμισμό. Στην περίπτωσή μας, θα θέλαμε να δούμε πώς, για παράδειγμα, τα κινητικά συστήματα ανταποκρίνονται κατά τη διάρκεια της ζωής ενός ζώου στη γήρανση ή κατά τη διάρκεια της ανάρρωσης μετά από τραυματισμό».
Αναφορά στο περιοδικό:
- Laura Hermans, Murat Kaynak, Jonas Braun, et al. Οι μικρο-μηχανικές συσκευές επιτρέπουν τη μακροπρόθεσμη απεικόνιση του μυελού του κοιλιακού νεύρου στην ενήλικη Drosophila που συμπεριφέρεται. Nature Communications, 25 Αυγούστου 2022. DOI: 10.1038 / s41467-022-32571-y
