הדינמיקה והקישוריות של מעגלים עצביים משתנים ללא הרף בטווחי זמן הנעים בין אלפיות שניות לכל החיים של בעל חיים. לכן, כדי להבין רשתות ביולוגיות, נדרשות שיטות זעיר פולשניות כדי לתעד אותן בבעלי חיים מתנהגים שוב ושוב.
מדענים ב EPFL פיתחו טכניקת השתלה המאפשרת גישה אופטית חסרת תקדים ל"חוט השדרה" של זבוב הפירות, Drosophila melanogaster.
מדענים ניסו באופן דיגיטלי לשחזר את העקרונות העומדים בבסיס השליטה המוטורית של תסיסנית. ב-2019 הם התפתחו DeepFly3D- תוכנת לכידת תנועה מבוססת למידה עמוקה המשתמשת במספר תצוגות מצלמה כדי לכמת את תנועות הגפיים התלת-ממדיות של זבובים מתנהגים. בשנת 3, הם פיתחו את הצוות של Ramdya חשף LiftPose3D– שיטה לשחזור תנוחות של בעלי חיים בתלת מימד מתמונות דו מימדיות שצולמו ממצלמה אחת.
מאמצים אלה הושלמו על ידי פרסומם בשנת 2022 עד NeuroMechFly- ה"תאום" הדיגיטלי הראשון המדויק מבחינה מורפולוגית של תסיסנית.
אבל תמיד יש עוד אתגרים לפנינו. המטרה היא לא רק למפות ולהבין את זה של אורגניזם מערכת העצבים - משימה שאפתנית בפני עצמה - אבל גם לגלות איך לפתח רובוטים בהשראת ביו, זריזים כמו זבובים.
ראמיה אמרה, "המכשול שהיה לנו לפני העבודה הזו היה שנוכל לתעד רק מעגלים מוטוריים של זבוב לפרק זמן קצר לפני שמצבו הבריאותי של בעל החיים התדרדר."
לפיכך, מדעני בית הספר להנדסה של EPFL פיתחו כלים לניטור הפעילות העצבית של תסיסנית לתקופות ארוכות יותר.
לורה הרמנס, Ph.D. סטודנט שעמד בראש הפרויקט, אמר, "פיתחנו מכשירים מיקרו-מהנדסים המספקים גישה אופטית לחוט עצב הגחון של החיה. לאחר מכן השתלנו בניתוח את המכשירים האלה לתוך בית החזה של הזבוב".
"אחד מהמכשירים האלה, שתל, מאפשר לנו להזיז את איברי הזבוב הצידה כדי לחשוף את חוט העצב הגחון מתחת. לאחר מכן אנו אוטמים את בית החזה עם חלון שקוף מיוצר במיקרו. ברגע שיש לנו זבובים עם המכשירים האלה, נוכל לתעד את ההתנהגות והפעילות העצבית של הזבוב על פני ניסויים רבים על פני פרקי זמן ארוכים."
כלים אלו מאפשרים תצפית ממושכת על בעל חיים בודד על ידי מדענים. כעת, הם יכולים לבצע מחקרים שנמשכים ימים או אפילו כל חיי הזבוב, ולא רק כמה שעות.
הרמנס אמר, "לדוגמה, אנו יכולים ללמוד כיצד הביולוגיה של בעל חיים מסתגלת במהלך התקדמות המחלה. אנחנו יכולים גם ללמוד שינויים ב מעגל עצבי פעילות ומבנה במהלך ההזדקנות. חוט העצבים הגחוני של הזבוב הוא אידיאלי מכיוון שהוא מארח את המעגלים המוטוריים של החיה, מה שמאפשר לנו ללמוד כיצד התנועה מתפתחת לאורך זמן או לאחר פציעה."
סלמן סאקר אמר, "כמהנדסים, אנו משתוקקים לאתגרים טכניים מוגדרים היטב. הקבוצה של Pavan פיתחה טכניקת דיסקציה להסרת האיברים מהזבוב החוסמים את שדה הראייה ומדמיינים את חוט העצב הגחון. עם זאת, הזבובים יכולים לשרוד רק כמה שעות לאחר הניתוח. היינו משוכנעים שיש להניח שתל בתוך בית החזה. ישנן טכניקות מקבילות להמחשת מערכת העצבים של בעלי חיים גדולים יותר כמו חולדות. קיבלנו השראה מהפתרונות האלה והתחלנו לחשוב על נושא המזעור”.
תכנונים מוקדמים ניסו לפתור את הבעיה של שמירה והסרה בטוחה של האיברים הפנימיים של הזבוב כדי לחשוף את מערכת העצבים הגחונית תוך מתן אפשרות לזבוב לשרוד לאחר הניתוח.
סאקר אמר, "בשביל האתגר הזה, אתה צריך מישהו שיכול לגשת לבעיה הן במדעי החיים והן בהיבטים ההנדסיים - זה מדגיש את החשיבות של עבודתם של לורה [הרמנס] ושל מוראט [קיינק]."
רק כמה זבובים שרדו את השתלים הראשוניים מכיוון שהם היו נוקשים. זה דרש שינויים מרובים בעיצוב כדי להגדיל את שיעורי ההישרדות מבלי לפגוע באיכות ההדמיה. העיצוב המנצח - שתל תואם בצורת V שיכול להזיז בצורה מאובטחת את איברי הזבוב הצידה ולחשוף את מיתר הגחון, פשוט אך יעיל. זה איפשר למדענים לאטום את החור בציפורן הציפורן באמצעות "חלון בית חזה עם ברקוד", המאפשר להם לצפות בחוט העצבים הגחוני ולבצע מדידות של הפעילות העצבית בזמן שהזבוב עובר בחיי היומיום שלו.
סאקר אמר, "בהתחשב בשינויים בין חיה לחיה באנטומיה, היינו צריכים למצוא פתרון בטוח ומותאם. השתל שלנו נותן מענה לצורך הספציפי הזה. אנו מספקים ערכת כלים רב-תכליתית למחקר מדעי המוח, יחד עם פיתוח כלים מתאימים למיקרומניפולציה של רקמות ושלב תואם עם הדפס ננו תלת-ממדי להרכבת בעלי חיים במהלך הפעלות הדמיה חוזרות ונשנות."
ראמיה אמר, "על ידי לימוד הזבוב, אנו מאמינים שהבנת משהו פשוט יחסית יכולה להניח את הבסיס להבנת אורגניזמים מסובכים יותר. כשאתה לומד מתמטיקה, אתה לא צולל לתוך אלגברה לינארית; אתה לומד קודם איך להוסיף ולחסור. בנוסף, עבור רובוטיקה, זה יהיה פנטסטי להבין איך אפילו חרק "פשוט" עובד."
"השלב הבא של הצוות הוא להשתמש במתודולוגיה החדשה שלהם כדי לפענח את המנגנונים של בקרת תנועת תסיסנית. מערכות ביולוגיות ייחודיות בהשוואה למערכות מלאכותיות בכך שהן יכולות לווסת באופן דינמי, למשל, את התעוררותם של נוירונים או את חוזק הסינפסות. אז כדי להבין מה הופך מערכות ביולוגיות לכל כך זריזות, אתה צריך להיות מסוגל להתבונן בדינמיות הזו. במקרה שלנו, נרצה לבחון כיצד, למשל, מערכות מוטוריות מגיבות במהלך חייו של בעל חיים להזדקנות או במהלך החלמה בעקבות פציעה".
עיון ביומן:
- לורה הרמנס, מוראט קיינק, ג'ונאס בראון ועוד. מכשירים מהונדסים מיקרו מאפשרים הדמיה ארוכת טווח של חוט עצב הגחון בהתנהגות תסיסנית בוגרת. תקשורת טבע, 25 באוגוסט 2022. DOI: 10.1038 / s41467-022-32571-y
