La dynamique et la connectivité des circuits neuronaux changent continuellement sur des échelles de temps allant de quelques millisecondes à la vie d’un animal. Par conséquent, pour comprendre les réseaux biologiques, des méthodes mini-invasives sont nécessaires pour les enregistrer de manière répétée chez les animaux se comportant.
Les scientifiques à EPFL ont développé une technique d'implantation qui permet un accès optique sans précédent à la « moelle épinière » de la mouche des fruits, Drosophila melanogaster.
Les scientifiques ont tenté de récapituler numériquement les principes qui sous-tendent le contrôle moteur de la drosophile. En 2019, ils ont développé DeepFly3D– un logiciel de capture de mouvement basé sur l’apprentissage profond qui utilise plusieurs vues de caméra pour quantifier les mouvements 3D des membres des mouches en comportement. En 2021, ils ont développé l’équipe de Ramdya révélée LiftPose3D– une méthode de reconstruction de poses d'animaux en 3D à partir d'images 2D prises à partir d'une seule caméra.
Ces efforts ont été complétés par leur publication en 2022 à travers NeuroMechFly– le premier « jumeau » numérique morphologiquement précis de la drosophile.
Mais il y a toujours d’autres défis à relever. L’objectif n’est pas seulement de cartographier et de comprendre les système nerveux – une tâche ambitieuse en soi – mais aussi de découvrir comment développer des robots bio-inspirés aussi agiles que des mouches.
Ramya a dit : "L'obstacle que nous avions avant ce travail était que nous ne pouvions enregistrer les circuits moteurs des mouches que pendant une courte période avant que la santé de l'animal ne se détériore."
C’est pourquoi les scientifiques de la Faculté d’ingénieurs de l’EPFL ont développé des outils permettant de surveiller l’activité neuronale de la drosophile sur des périodes plus longues.
Laura Hermans, titulaire d'un doctorat. l'étudiant qui a dirigé le projet, a déclaré : « Nous avons développé des dispositifs de micro-ingénierie qui fournissent un accès optique à la corde nerveuse ventrale de l’animal. Nous avons ensuite implanté chirurgicalement ces dispositifs dans le thorax de la mouche.
« L’un de ces dispositifs, un implant, nous permet d’écarter les organes de la mouche pour révéler la corde nerveuse ventrale située en dessous. On scelle ensuite le thorax avec une fenêtre transparente microfabriquée. Une fois que nous avons des mouches avec ces appareils, nous pouvons enregistrer le comportement et l’activité neuronale de la mouche au cours de nombreuses expériences sur de longues périodes.
Ces outils permettent aux scientifiques d'observer de manière prolongée un seul animal. Désormais, ils peuvent mener des études qui durent plusieurs jours, voire toute la vie de la mouche, plutôt que quelques heures seulement.
Hermans a dit : « Par exemple, nous pouvons étudier comment la biologie d’un animal s’adapte au cours de la progression de la maladie. Nous pouvons également étudier les changements dans circuit neuronal activité et structure au cours du vieillissement. Le cordon nerveux ventral de la mouche est idéal car il héberge les circuits moteurs de l’animal, ce qui nous permet d’étudier l’évolution de la locomotion au fil du temps ou après une blessure.
Selman Sakar a dit : « En tant qu'ingénieurs, nous avons soif de défis techniques bien définis. Le groupe de Pavan a développé une technique de dissection pour retirer les organes de la mouche qui bloquent le champ de vision et visualiser la corde nerveuse ventrale. Cependant, les mouches ne peuvent survivre que quelques heures après l’opération. Nous étions convaincus qu'il fallait poser un implant à l'intérieur du thorax. Il existe des techniques analogues pour visualiser le système nerveux d’animaux plus gros comme les rats. Nous nous sommes inspirés de ces solutions et avons commencé à réfléchir à la question de la miniaturisation.
Les premières conceptions tentaient de résoudre le problème de la conservation et du retrait en toute sécurité des organes internes de la mouche afin d’exposer le système nerveux ventral tout en permettant à la mouche de survivre après une intervention chirurgicale.
Sakar a dit : « Pour ce défi, vous avez besoin de quelqu’un qui peut aborder un problème du point de vue des sciences de la vie et de l’ingénierie – cela souligne l’importance du travail de Laura [Hermans] et de Murat [Kaynak] ».
Seules quelques mouches ont survécu aux implants initiaux car elles étaient rigides. De multiples modifications de conception ont été nécessaires pour augmenter les taux de survie sans dégrader la qualité de l’imagerie. La conception gagnante – un implant conforme en forme de V qui peut écarter en toute sécurité les organes de la mouche et révéler la corde ventrale – est simple mais efficace. Cela a permis aux scientifiques de sceller le trou de la cuticule avec une « fenêtre thoracique à code-barres », ce qui leur permet d'observer le cordon nerveux ventral et de mesurer l'activité neuronale pendant que la mouche vaque à ses occupations quotidiennes.
Sakar a dit : « Compte tenu des variations anatomiques d’un animal à l’autre, nous avons dû trouver une solution sûre et adaptative. Notre implant répond à ce besoin particulier. Nous fournissons une boîte à outils polyvalente pour la recherche en neurosciences, ainsi que le développement d’outils de micromanipulation tissulaire appropriés et d’une platine compatible nano-imprimée en 3D pour monter des animaux lors de séances d’imagerie répétées.
Ramya a affirmé Valérie Plante., « En étudiant la mouche, nous pensons que comprendre quelque chose de relativement simple peut jeter les bases de la compréhension d’organismes plus complexes. Lorsque vous apprenez les mathématiques, vous ne vous plongez pas dans l’algèbre linéaire ; vous apprenez d’abord à additionner et à soustraire. De plus, pour la robotique, ce serait fantastique de comprendre comment fonctionne même un « simple » insecte.
« La prochaine étape pour l’équipe consiste à utiliser leur nouvelle méthodologie pour démêler les mécanismes de contrôle des mouvements de la drosophile. Les systèmes biologiques sont uniques par rapport aux systèmes artificiels dans la mesure où ils peuvent moduler dynamiquement, par exemple, l'excitabilité des neurones ou la force des synapses. Donc, pour comprendre ce qui rend les systèmes biologiques si agiles, il faut être capable d’observer ce dynamisme. Dans notre cas, nous aimerions examiner comment, par exemple, les systèmes moteurs réagissent au vieillissement d’un animal ou lors de sa récupération après une blessure.
Journal de référence:
- Laura Hermans, Murat Kaynak, Jonas Braun et al. Les dispositifs de micro-ingénierie permettent l’imagerie à long terme de la corde nerveuse ventrale chez la drosophile adulte en train de se comporter. Communications Nature, 25 août 2022. DOI : 10.1038 / s41467-022-32571-y
