دینامیک و اتصال مدارهای عصبی به طور مداوم در مقیاس های زمانی از میلی ثانیه تا طول عمر یک حیوان تغییر می کند. بنابراین، برای درک شبکه های بیولوژیکی، روش های کم تهاجمی برای ثبت مکرر آنها در رفتار حیوانات مورد نیاز است.
دانشمندان در EPFL یک تکنیک کاشت را توسعه داده‌اند که امکان دسترسی نوری بی‌سابقه‌ای به "طناب نخاعی" مگس میوه، مگس سرکه، مگس سرکه را فراهم می‌کند.
دانشمندان به صورت دیجیتالی در تلاش بوده اند تا اصول زیربنای کنترل حرکتی مگس سرکه را خلاصه کنند. در سال 2019 آنها توسعه یافتند DeepFly3D– یک نرم افزار ضبط حرکت مبتنی بر یادگیری عمیق که از چندین نمای دوربین برای تعیین کمیت حرکات سه بعدی اندام مگس های رفتاری استفاده می کند. در سال 3، آنها تیم Ramdya را توسعه دادند LiftPose3D- روشی برای بازسازی ژست های سه بعدی حیوانات از تصاویر دو بعدی گرفته شده از یک دوربین.
این تلاش ها با انتشار آنها در سال 2022 تکمیل شد NeuroMechFly- اولین "دوقلو" دیجیتالی دقیق مورفولوژیکی مگس سرکه.
اما همیشه چالش های بیشتری در پیش است. هدف فقط ترسیم نقشه و درک ارگانیسم نیست سیستم عصبی – به خودی خود یک وظیفه بلندپروازانه – اما همچنین کشف چگونگی توسعه ربات‌های الهام‌گرفته از زیستی که به چابکی مگس‌ها هستند.
رامیا گفت مانعی که قبل از این کار داشتیم این بود که فقط می‌توانستیم مدارهای موتور پرواز را برای مدت کوتاهی قبل از بدتر شدن وضعیت سلامتی حیوان ضبط کنیم.
از این رو، دانشمندان دانشکده مهندسی EPFL ابزارهایی را برای نظارت بر فعالیت عصبی مگس سرکه برای دوره های طولانی تر توسعه دادند.
لورا هرمنس، دکتری. دانشجویی که این پروژه را رهبری کرد، گفت: ما دستگاه های ریز مهندسی را توسعه دادیم که دسترسی نوری به طناب عصبی شکمی حیوان را فراهم می کند. سپس با جراحی این دستگاه ها را در قفسه سینه مگس کاشتیم.
یکی از این دستگاه‌ها، ایمپلنت، به ما اجازه می‌دهد تا اندام‌های مگس را به کناری ببریم تا طناب عصبی شکمی در زیر نمایان شود. سپس قفسه سینه را با یک پنجره شفاف میکروفابریک می بندیم. هنگامی که مگس‌ها را با این دستگاه‌ها داشته باشیم، می‌توانیم رفتار و فعالیت عصبی مگس را در بسیاری از آزمایش‌ها در بازه‌های زمانی طولانی ثبت کنیم.»
این ابزارها امکان مشاهده طولانی مدت یک حیوان را توسط دانشمندان فراهم می کند. اکنون، آنها می توانند مطالعاتی را انجام دهند که به جای چند ساعت، روزها یا حتی کل عمر مگس طول می کشد.
هرمانز گفت به عنوان مثال، ما می‌توانیم نحوه سازگاری زیست‌شناسی حیوان در طول پیشرفت بیماری را مطالعه کنیم. ما همچنین می توانیم تغییرات در مدار عصبی فعالیت و ساختار در طول پیری طناب عصبی شکمی مگس ایده‌آل است زیرا مدار حرکتی حیوان را میزبانی می‌کند و به ما امکان می‌دهد نحوه تکامل حرکت در طول زمان یا پس از آسیب را مطالعه کنیم.
سلمان ساکار گفت: "به عنوان مهندسان، ما مشتاق چالش های فنی کاملاً تعریف شده هستیم. گروه پاوان تکنیک تشریح را برای برداشتن اندام هایی از مگس ابداع کرده است که میدان دید را مسدود کرده و طناب عصبی شکمی را تجسم می کند. با این حال، مگس ها تنها چند ساعت پس از جراحی می توانند زنده بمانند. ما متقاعد شدیم که ایمپلنت باید در داخل قفسه سینه قرار داده شود. تکنیک های مشابهی برای تجسم سیستم عصبی حیوانات بزرگتر مانند موش وجود دارد. ما از این راه‌حل‌ها الهام گرفتیم و شروع کردیم به فکر کردن درباره موضوع کوچک‌سازی.»
طرح‌های اولیه سعی داشتند مشکل حفظ و خارج کردن ایمن اندام‌های داخلی مگس را حل کنند تا سیستم عصبی شکمی را در معرض دید قرار دهند و در عین حال به مگس اجازه می‌داد بعد از جراحی زنده بماند.
ساکار گفت "برای این چالش، به کسی نیاز دارید که بتواند به یک مشکل از دیدگاه علوم زیستی و مهندسی نزدیک شود - این اهمیت کار لورا [هرمانس] و مورات [کایناک] را برجسته می کند."
فقط چند مگس از کاشت اولیه جان سالم به در بردند زیرا سفت بودند. برای افزایش میزان بقا بدون کاهش کیفیت تصویربرداری، نیاز به تغییرات طراحی متعددی داشت. طرح برنده - یک ایمپلنت سازگار V شکل که می تواند به طور ایمن اندام های مگس را به کناری برده و وتر شکمی را آشکار کند، ساده و در عین حال موثر است. این به دانشمندان امکان داد تا سوراخ روی کوتیکول را با یک "پنجره قفسه سینه بارکد" ببندند، که به آنها اجازه می دهد طناب عصبی شکمی را مشاهده کنند و فعالیت های عصبی را در حین انجام زندگی روزمره مگس اندازه گیری کنند.
ساکار گفت با توجه به تغییرات حیوانی به حیوان در آناتومی، ما باید یک راه حل ایمن و سازگار پیدا می کردیم. ایمپلنت ما این نیاز خاص را برطرف می کند. ما یک جعبه ابزار همه کاره برای تحقیقات علوم اعصاب، همراه با توسعه ابزارهای ریز دستکاری بافتی مناسب و یک مرحله سازگار با چاپ نانو سه بعدی برای سوار کردن حیوانات در طول جلسات تصویربرداری مکرر ارائه می دهیم.
رامیا گفت:, "با مطالعه مگس، ما معتقدیم که درک چیزی نسبتا ساده می تواند زمینه را برای درک موجودات پیچیده تر فراهم کند. وقتی ریاضیات را یاد می گیرید، در جبر خطی فرو نمی روید. ابتدا یاد می گیرید که چگونه جمع و تفریق کنید. علاوه بر این، برای روباتیک، درک این که حتی یک حشره «ساده» چگونه کار می کند، فوق العاده خواهد بود.
گام بعدی برای تیم استفاده از روش جدید خود برای کشف مکانیسم های کنترل حرکت مگس سرکه است. سیستم‌های بیولوژیکی در مقایسه با سیستم‌های مصنوعی منحصربه‌فرد هستند، زیرا می‌توانند به طور دینامیکی، به عنوان مثال، تحریک‌پذیری نورون‌ها یا قدرت سیناپس‌ها را تعدیل کنند. بنابراین برای درک اینکه چه چیزی باعث چابکی سیستم های بیولوژیکی می شود، باید بتوانید این پویایی را مشاهده کنید. در مورد ما، ما می‌خواهیم ببینیم که به عنوان مثال، سیستم‌های حرکتی چگونه در طول عمر حیوان به پیری یا در طول بهبودی پس از آسیب واکنش نشان می‌دهند.
مرجع مجله:
- لورا هرمنس، مورات کایناک، جوناس براون و همکاران. دستگاه های ریز مهندسی شده تصویربرداری طولانی مدت از طناب عصبی شکمی را در رفتار مگس سرکه بالغ امکان پذیر می کنند. طبیعت ارتباطات، 25 اوت 2022. DOI: 10.1038 / s41467-022-32571-y
