तंत्रिका सर्किट की गतिशीलता और कनेक्टिविटी मिलीसेकंड से लेकर किसी जानवर के जीवनकाल तक के समय में लगातार बदलती रहती है। इसलिए, जैविक नेटवर्क को समझने के लिए, जानवरों को बार-बार व्यवहार करने में उन्हें रिकॉर्ड करने के लिए न्यूनतम इनवेसिव विधियों की आवश्यकता होती है।
वैज्ञानिकों EPFL ने एक आरोपण तकनीक विकसित की है जो फल मक्खी, ड्रोसोफिला मेलानोगास्टर की "रीढ़ की हड्डी" तक अभूतपूर्व ऑप्टिकल पहुंच की अनुमति देती है।
वैज्ञानिक डिजिटल रूप से ड्रोसोफिला मोटर नियंत्रण के सिद्धांतों को फिर से दोहराने की कोशिश कर रहे हैं। 2019 में, उन्होंने विकसित किया डीपफ्लाई3डी- एक डीप-लर्निंग-आधारित मोशन-कैप्चर सॉफ़्टवेयर जो मक्खियों के व्यवहार के 3D अंग आंदोलनों को मापने के लिए कई कैमरा दृश्यों का उपयोग करता है। 2021 में उन्होंने विकसित किया रामद्या की टीम का खुलासा लिफ्टपोस3डी- एकल कैमरे से ली गई 3डी छवियों से 2डी एनिमल पोज़ के पुनर्निर्माण की एक विधि।
इन प्रयासों को 2022 में उनके प्रकाशन द्वारा पूरित किया गया था न्यूरोमेचफ्लाई- ड्रोसोफिला का पहला रूपात्मक रूप से सटीक डिजिटल "जुड़वां"।
लेकिन आगे हमेशा और चुनौतियां होती हैं। उद्देश्य सिर्फ एक जीव का नक्शा बनाना और समझना नहीं है तंत्रिका तंत्र - अपने आप में एक महत्वाकांक्षी कार्य - लेकिन यह भी पता लगाना कि जैव-प्रेरित रोबोट कैसे विकसित किए जाएं जो मक्खियों की तरह फुर्तीले हों।
राम्या ने कहा, "इस काम से पहले हमारे पास जो बाधा थी, वह यह थी कि हम जानवर के स्वास्थ्य के बिगड़ने से पहले केवल थोड़े समय के लिए फ्लाई मोटर सर्किट रिकॉर्ड कर सकते थे।"
इसलिए, ईपीएफएल के इंजीनियरिंग स्कूल के वैज्ञानिकों ने लंबी अवधि के लिए ड्रोसोफिला तंत्रिका गतिविधि की निगरानी के लिए उपकरण विकसित किए।
लौरा हरमन, एक पीएच.डी. परियोजना का नेतृत्व करने वाले छात्र ने कहा, “हमने माइक्रोइंजीनियर डिवाइस विकसित किए हैं जो जानवर के उदर तंत्रिका कॉर्ड को ऑप्टिकल एक्सेस प्रदान करते हैं। फिर हमने शल्य चिकित्सा से इन उपकरणों को मक्खी के वक्ष में प्रत्यारोपित किया।"
"इन उपकरणों में से एक, एक प्रत्यारोपण, हमें नीचे उदर तंत्रिका कॉर्ड को प्रकट करने के लिए मक्खी के अंगों को एक तरफ ले जाने की अनुमति देता है। फिर हम वक्ष को एक पारदर्शी माइक्रोफैब्रिकेटेड विंडो से सील करते हैं। एक बार जब हमारे पास इन उपकरणों के साथ मक्खियाँ हो जाती हैं, तो हम लंबे समय तक कई प्रयोगों में मक्खी के व्यवहार और तंत्रिका गतिविधि को रिकॉर्ड कर सकते हैं। ”
ये उपकरण वैज्ञानिकों द्वारा किसी एक जानवर का लंबे समय तक अवलोकन करने में सक्षम हैं। अब, वे अध्ययन कर सकते हैं जो केवल कुछ घंटों के बजाय दिनों या पूरे मक्खी के जीवन तक रहता है।
हरमन्स ने कहा, "उदाहरण के लिए, हम अध्ययन कर सकते हैं कि बीमारी की प्रगति के दौरान एक जानवर की जीवविज्ञान कैसे अनुकूल होती है। हम परिवर्तनों का भी अध्ययन कर सकते हैं तंत्रिका सर्किट उम्र बढ़ने के दौरान गतिविधि और संरचना। मक्खी का उदर तंत्रिका कॉर्ड आदर्श है क्योंकि यह जानवर की मोटर सर्किटरी को होस्ट करता है, जिससे हमें यह अध्ययन करने की अनुमति मिलती है कि समय के साथ या चोट के बाद हरकत कैसे विकसित होती है। ”
सेलमन साकर ने कहा, "इंजीनियरों के रूप में, हम अच्छी तरह से परिभाषित तकनीकी चुनौतियों के लिए तरसते हैं। पवन के समूह ने मक्खी से अंगों को हटाने के लिए एक विच्छेदन तकनीक विकसित की है जो देखने के क्षेत्र को अवरुद्ध करती है और उदर तंत्रिका कॉर्ड की कल्पना करती है। हालांकि, मक्खियां सर्जरी के बाद केवल कुछ घंटों तक ही जीवित रह सकती हैं। हम आश्वस्त थे कि एक प्रत्यारोपण छाती के भीतर रखा जाना था। चूहों जैसे बड़े जानवरों के तंत्रिका तंत्र की कल्पना करने के लिए समान तकनीकें हैं। हमें इन समाधानों से प्रेरणा मिली और लघुकरण के मुद्दे के बारे में सोचना शुरू किया।"
प्रारंभिक डिजाइनों ने मक्खी के आंतरिक अंगों को बनाए रखने और सुरक्षित रूप से हटाने की समस्या को हल करने का प्रयास किया ताकि शल्य चिकित्सा के बाद मक्खी को जीवित रहने की इजाजत दी जा सके।
साकर ने कहा, "इस चुनौती के लिए, आपको किसी ऐसे व्यक्ति की आवश्यकता है जो जीवन विज्ञान और इंजीनियरिंग दोनों दृष्टिकोणों के साथ किसी समस्या का सामना कर सके - यह लौरा [हरमन] और मूरत के [कायनक] काम के महत्व पर प्रकाश डालता है।"
प्रारंभिक प्रत्यारोपण में केवल कुछ मक्खियाँ बचीं क्योंकि वे कठोर थीं। इमेजिंग गुणवत्ता को कम किए बिना जीवित रहने की दर बढ़ाने के लिए इसे कई डिज़ाइन परिवर्तनों की आवश्यकता थी। विजेता डिजाइन- एक वी-आकार का अनुपालन प्रत्यारोपण जो मक्खी के अंगों को सुरक्षित रूप से एक तरफ ले जा सकता है और उदर तार को प्रकट कर सकता है, सरल लेकिन प्रभावी है। इसने वैज्ञानिकों को "बारकोडेड थोरैसिक विंडो" के साथ छल्ली पर छेद को सील करने में सक्षम बनाया, जो उन्हें उदर तंत्रिका कॉर्ड का निरीक्षण करने और न्यूरोनल गतिविधि का मापन करने की अनुमति देता है क्योंकि मक्खी अपने दैनिक जीवन के बारे में जाती है।
साकर ने कहा, "शरीर रचना में पशु-से-पशु भिन्नताओं को ध्यान में रखते हुए, हमें एक सुरक्षित और अनुकूली समाधान खोजना पड़ा। हमारा प्रत्यारोपण इस विशेष आवश्यकता को पूरा करता है। हम तंत्रिका विज्ञान अनुसंधान के लिए एक बहुमुखी टूलकिट प्रदान करते हैं, साथ में उचित ऊतक माइक्रोमैनिपुलेशन उपकरण विकसित करते हैं और दोहराए गए इमेजिंग सत्रों के दौरान बढ़ते जानवरों के लिए एक 3 डी नैनोप्रिंटेड अनुपालन चरण।
ramya कहा, "मक्खी का अध्ययन करके, हम मानते हैं कि अपेक्षाकृत सरल कुछ समझना अधिक जटिल जीवों को समझने के लिए आधारभूत कार्य कर सकता है। जब आप गणित सीखते हैं, तो आप रैखिक बीजगणित में नहीं उतरते; आप पहले जोड़ना और घटाना सीखते हैं। इसके अतिरिक्त, रोबोटिक्स के लिए, यह समझना शानदार होगा कि एक "साधारण" कीट भी कैसे काम करता है।
"टीम के लिए अगला कदम ड्रोसोफिला आंदोलन नियंत्रण के तंत्र को जानने के लिए अपनी नई पद्धति का उपयोग करना है। कृत्रिम प्रणालियों की तुलना में जैविक प्रणालियां अद्वितीय हैं, जिसमें वे गतिशील रूप से संशोधित कर सकते हैं, उदाहरण के लिए, न्यूरॉन्स की उत्तेजना या सिनेप्स की ताकत। तो यह समझने के लिए कि जैविक प्रणाली इतनी चुस्त क्यों है, आपको इस गतिशीलता का निरीक्षण करने में सक्षम होना चाहिए। हमारे मामले में, हम यह देखना चाहते हैं कि, उदाहरण के लिए, मोटर सिस्टम किसी जानवर के जीवनकाल में उम्र बढ़ने या चोट लगने के बाद ठीक होने के दौरान कैसे प्रतिक्रिया करता है। ”
जर्नल संदर्भ:
- लौरा हरमन्स, मूरत कायनाक, जोनास ब्रौन, एट अल। माइक्रो-इंजीनियर डिवाइस वयस्क ड्रोसोफिला के व्यवहार में उदर तंत्रिका कॉर्ड की दीर्घकालिक इमेजिंग को सक्षम करते हैं। संचार प्रकृति, 25 अगस्त 2022। डीओआई: 10.1038 / s41467-022-32571-y
