La dinámica y la conectividad de los circuitos neuronales cambian continuamente en escalas de tiempo que van desde milisegundos hasta la vida de un animal. Por lo tanto, para comprender las redes biológicas, se requieren métodos mínimamente invasivos para registrarlas en el comportamiento de los animales repetidamente.
Los científicos en EPFL han desarrollado una técnica de implantación que permite un acceso óptico sin precedentes a la “médula espinal” de la mosca de la fruta, Drosophila melanogaster.
Los científicos han estado tratando de recapitular digitalmente los principios que subyacen al control motor de Drosophila. En 2019, desarrollaron DeepFly3D– un software de captura de movimiento basado en aprendizaje profundo que utiliza múltiples vistas de cámara para cuantificar los movimientos de las extremidades en 3D de las moscas que se comportan. En 2021, desarrollaron el equipo de Ramdya revelado. AscensorPose3D– un método para reconstruir poses de animales en 3D a partir de imágenes en 2D tomadas con una sola cámara.
Estos esfuerzos se complementaron con su publicación en 2022 a través de NeuroMechFly– el primer “gemelo” digital morfológicamente preciso de Drosophila.
Pero siempre hay más desafíos por delante. El objetivo no es sólo cartografiar y comprender el funcionamiento de un organismo sistema nervioso – una tarea ambiciosa en sí misma – pero también para descubrir cómo desarrollar robots bioinspirados que sean tan ágiles como moscas.
ramya dijo, “El obstáculo que teníamos antes de este trabajo era que solo podíamos registrar circuitos de motores de moscas durante un corto período de tiempo antes de que la salud del animal se deteriorara”.
Por lo tanto, los científicos de la Escuela de Ingeniería de EPFL desarrollaron herramientas para monitorear la actividad neuronal de Drosophila durante períodos más largos.
Laura Hermans, Ph.D. estudiante que encabezó el proyecto, dijo, “Desarrollamos dispositivos de microingeniería que brindan acceso óptico al cordón nervioso ventral del animal. Luego implantamos quirúrgicamente estos dispositivos en el tórax de la mosca”.
“Uno de estos dispositivos, un implante, nos permite mover los órganos de la mosca a un lado para revelar el cordón nervioso ventral debajo. Luego sellamos el tórax con una ventana microfabricada transparente. Una vez que tenemos moscas con estos dispositivos, podemos registrar el comportamiento de la mosca y la actividad neuronal en muchos experimentos durante largos períodos de tiempo".
Estas herramientas permiten la observación prolongada de un solo animal por parte de los científicos. Ahora, pueden realizar estudios que duran días o incluso toda la vida de la mosca, en lugar de solo unas pocas horas.
Hermans dijo, “Por ejemplo, podemos estudiar cómo se adapta la biología de un animal durante la progresión de la enfermedad. También podemos estudiar los cambios en circuito neuronal actividad y estructura durante el envejecimiento. El cordón nervioso ventral de la mosca es ideal porque alberga el circuito motor del animal, lo que nos permite estudiar cómo evoluciona la locomoción con el tiempo o después de una lesión”.
Selman Sakar dijo, “Como ingenieros, anhelamos desafíos técnicos bien definidos. El grupo de Pavan ha desarrollado una técnica de disección para extirpar los órganos de la mosca que bloquean el campo de visión y visualizar el cordón nervioso ventral. Sin embargo, las moscas solo pueden sobrevivir unas pocas horas después de la cirugía. Estábamos convencidos de que había que colocar un implante dentro del tórax. Existen técnicas análogas para visualizar el sistema nervioso de animales más grandes como las ratas. Nos inspiramos en estas soluciones y comenzamos a pensar en el tema de la miniaturización”.
Los primeros diseños intentaron resolver el problema de retener y eliminar de forma segura los órganos internos de la mosca para exponer el sistema nervioso ventral y permitir que la mosca sobreviviera después de la cirugía.
sakar dijo, "Para este desafío, se necesita a alguien que pueda abordar un problema desde la perspectiva de las ciencias de la vida y la ingeniería; esto resalta la importancia del trabajo de Laura [Hermans] y Murat [Kaynak]".
Solo unas pocas moscas sobrevivieron a los implantes iniciales porque estaban rígidos. Requirió múltiples cambios de diseño para aumentar las tasas de supervivencia sin degradar la calidad de la imagen. El diseño ganador, un implante compatible en forma de V que puede mover de forma segura los órganos de la mosca a un lado y revelar el cordón ventral, es simple pero efectivo. Esto permitió a los científicos sellar el agujero en la cutícula con una "ventana torácica con código de barras", lo que les permite observar el cordón nervioso ventral y medir la actividad neuronal a medida que la mosca realiza su vida diaria.
sakar dijo, “Teniendo en cuenta las variaciones anatómicas de un animal a otro, tuvimos que encontrar una solución segura y adaptable. Nuestro implante responde a esta necesidad particular. Brindamos un conjunto de herramientas versátil para la investigación en neurociencia, junto con el desarrollo de herramientas adecuadas de micromanipulación de tejidos y una etapa compatible con nanoimpresión 3D para montar animales durante sesiones de imágenes repetidas”.
Ramya dijo, “Al estudiar la mosca, creemos que comprender algo relativamente simple puede sentar las bases para comprender organismos más complicados. Cuando aprendes matemáticas, no te sumerges en álgebra lineal; aprendes a sumar y restar primero. Además, para la robótica, sería fantástico entender cómo funciona incluso un insecto "simple".
“El siguiente paso para el equipo es utilizar su nueva metodología para desentrañar los mecanismos de control del movimiento de Drosophila. Los sistemas biológicos son únicos en comparación con los sistemas artificiales porque pueden modular dinámicamente, por ejemplo, la excitabilidad de las neuronas o la fuerza de las sinapsis. Entonces, para comprender qué hace que los sistemas biológicos sean tan ágiles, debe poder observar este dinamismo. En nuestro caso, nos gustaría ver cómo, por ejemplo, los sistemas motores responden durante la vida de un animal al envejecimiento o durante la recuperación después de una lesión".
Referencia de la revista:
- Laura Hermans, Murat Kaynak, Jonas Braun, et al. Los dispositivos de microingeniería permiten obtener imágenes a largo plazo del cordón nervioso ventral en el comportamiento de Drosophila adulta. Nature Communications, 25 de agosto de 2022. DOI: 10.1038 / s41467-022-32571-y
