Neuraalipiirien dynamiikka ja liitettävyys muuttuvat jatkuvasti millisekunneista eläimen elinikään. Siksi biologisten verkostojen ymmärtämiseksi tarvitaan minimaalisesti invasiivisia menetelmiä niiden kirjaamiseksi käyttäytyviin eläimiin toistuvasti.
Tutkijat EPFL ovat kehittäneet implantaatiotekniikan, joka mahdollistaa ennennäkemättömän optisen pääsyn hedelmäkärpäsen Drosophila melanogasterin "selkäytimeen".
Tiedemiehet ovat yrittäneet digitaalisesti koota yhteen Drosophilan moottorin ohjauksen taustalla olevat periaatteet. Vuonna 2019 ne kehittyivät DeepFly3D– syväoppimiseen perustuva liikkeenkaappausohjelmisto, joka käyttää useita kameranäkymiä käyttäytyvien kärpästen 3D-raajojen liikkeiden kvantifiointiin. Vuonna 2021 he kehittivät Ramdyan tiimin LiftPose3D– menetelmä 3D-eläinasennon rekonstruoimiseksi yhdestä kamerasta otetuista 2D-kuvista.
Näitä toimia täydennettiin niiden julkaisemisella vuonna 2022 kautta NeuroMechFly– Drosophilan ensimmäinen morfologisesti tarkka digitaalinen "kaksos".
Mutta aina on enemmän haasteita edessä. Tavoitteena ei ole vain kartoittaa ja ymmärtää organismia hermosto – kunnianhimoinen tehtävä sinänsä – mutta myös löytää keinoja kehittää biovaikutteisia robotteja, jotka ovat ketteriä kuin kärpäset.
Ramya sanoi, "Ennen tätä työtä meillä oli esteenä se, että pystyimme tallentamaan perhomoottorikierroksia vain lyhyen ajan, ennen kuin eläimen terveys heikkeni."
Siksi EPFL:n tekniikan korkeakoulun tutkijat kehittivät työkaluja Drosophilan hermotoiminnan seurantaan pidempiä aikoja.
Laura Hermans, tohtori projektia johtanut opiskelija sanoi: ”Kehitimme mikroteknisiä laitteita, jotka tarjoavat optisen pääsyn eläimen vatsahermojohtoon. Sitten implantoimme nämä laitteet kirurgisesti kärpäsen rintakehään."
"Yksi näistä laitteista, implantti, antaa meille mahdollisuuden siirtää kärpäsen elimiä sivuun paljastaaksemme alla olevan vatsahermojohdon. Suljemme sitten rintakehän läpinäkyvällä mikrovalmisteisella ikkunalla. Kun meillä on kärpäsiä näillä laitteilla, voimme tallentaa kärpäsen käyttäytymistä ja hermotoimintaa monissa kokeissa pitkien ajanjaksojen aikana.
Nämä työkalut mahdollistavat tutkijoiden pitkän tarkkailun yksittäisestä eläimestä. Nyt he voivat tehdä tutkimuksia, jotka kestävät päiviä tai jopa koko kärpäsen elämän muutaman tunnin sijaan.
Hermans sanoi, ”Voimme esimerkiksi tutkia, kuinka eläimen biologia sopeutuu taudin etenemisen aikana. Voimme myös tutkia muutoksia hermopiiri aktiivisuus ja rakenne ikääntymisen aikana. Kärpäsen vatsahermojohto on ihanteellinen, koska se isännöi eläimen motorisia piirejä, minkä ansiosta voimme tutkia, kuinka liikkuvuus kehittyy ajan myötä tai vamman jälkeen.
Selman Sakar sanoi, ”Insinööreinä kaipaamme tarkasti määriteltyjä teknisiä haasteita. Pavanin ryhmä on kehittänyt dissektiotekniikan poistaakseen kärpäsestä näkökentän estävät elimet ja visualisoidakseen vatsahermon johtoa. Kärpäset selviävät kuitenkin vain muutaman tunnin leikkauksen jälkeen. Olimme vakuuttuneita siitä, että implantti oli asetettava rintakehään. On olemassa analogisia tekniikoita suurempien eläinten, kuten rottien, hermoston visualisoimiseksi. Saimme inspiraatiota näistä ratkaisuista ja aloimme pohtimaan pienoismallia."
Varhaisissa suunnitelmissa yritettiin ratkaista kärpäsen sisäelinten säilyttämisen ja turvallisen poistamisen ongelma vatsan hermojärjestelmän paljastamiseksi samalla, kun kärpänen säilyi hengissä leikkauksen jälkeen.
Sakar sanoi, "Tätä haastetta varten tarvitset jonkun, joka osaa lähestyä ongelmaa sekä biotieteiden että tekniikan näkökulmista – tämä korostaa Lauran [Hermansin] ja Muratin [Kaynakin] työn tärkeyttä.
Vain muutama kärpäs selvisi alkuperäisistä implanteista, koska ne olivat jäykkiä. Se vaati useita suunnittelumuutoksia eloonjäämisasteen lisäämiseksi kuvantamisen laatua heikentämättä. Voittajasuunnittelu – V-muotoinen yhteensopiva implantti, joka voi turvallisesti siirtää kärpäsen elimet sivuun ja paljastaa vatsajänteen, on yksinkertainen mutta tehokas. Tämän ansiosta tutkijat pystyivät tiivistämään kynsinauhossa olevan reiän "viivakoodilla varustetulla rintakehäikkunalla", jonka avulla he voivat tarkkailla vatsan hermojohtoa ja tehdä mittauksia hermosolujen aktiivisuudesta kärpäsen kulkiessa jokapäiväistä elämäänsä.
Sakar sanoi, ”Kun otetaan huomioon anatomian vaihtelut eläimestä eläimeen, meidän oli löydettävä turvallinen ja mukautuva ratkaisu. Implantimme vastaa tähän erityistarpeeseen. Tarjoamme monipuolisen työkalupakin neurotieteen tutkimukseen, kehitämme asianmukaisia kudosmikromanipulaatiotyökaluja ja 3D-nanoprintin kanssa yhteensopivan vaiheen eläinten kiinnittämiseen toistuvien kuvantamisistuntojen aikana.
Ramya sanoi, ”Kärpästä tutkimalla uskomme, että suhteellisen yksinkertaisen asian ymmärtäminen voi luoda pohjan monimutkaisempien organismien ymmärtämiselle. Kun opit matematiikkaa, et sukeltaa lineaariseen algebraan; Opit ensin lisäämään ja vähentämään. Lisäksi robotiikassa olisi mahtavaa ymmärtää, kuinka "yksinkertainen" hyönteinen toimii."
"Seuraava askel tiimille on käyttää uutta metodologiaansa Drosophilan liikkeenhallinnan mekanismien purkamiseen. Biologiset järjestelmät ovat ainutlaatuisia keinotekoisiin järjestelmiin verrattuna siinä mielessä, että ne voivat dynaamisesti moduloida esimerkiksi hermosolujen kiihtyvyyttä tai synapsien voimakkuutta. Joten ymmärtääksesi, mikä tekee biologisista järjestelmistä niin ketteriä, sinun on pystyttävä tarkkailemaan tätä dynaamisuutta. Meidän tapauksessamme haluaisimme tarkastella esimerkiksi sitä, kuinka motoriset järjestelmät reagoivat eläimen eliniän aikana ikääntymiseen tai vamman jälkeiseen toipumiseen.
Lehden viite:
- Laura Hermans, Murat Kaynak, Jonas Braun, et ai. Mikrosuunnitellut laitteet mahdollistavat käyttäytyvän aikuisen Drosophilan ventraalisen hermojohdon pitkän aikavälin kuvantamisen. Luonto Viestintä, 25. elokuuta 2022. DOI: 10.1038 / s41467-022-32571-y
