신경 회로의 역학과 연결성은 밀리초에서 동물의 일생에 이르는 시간 척도에 따라 지속적으로 변경됩니다. 따라서 생물학적 네트워크를 이해하기 위해서는 동물의 행동을 반복적으로 기록하는 최소 침습적 방법이 필요합니다.
과학자 EPFL 초파리, Drosophila melanogaster의 "척수"에 전례 없는 광학적 접근을 허용하는 이식 기술을 개발했습니다.
과학자들은 초파리 운동 제어의 기본 원리를 디지털 방식으로 요약하려고 노력해 왔습니다. 2019년에 그들은 개발했습니다. 딥플라이3D– 여러 카메라 보기를 사용하여 행동하는 파리의 3D 팔다리 움직임을 정량화하는 딥 러닝 기반 모션 캡처 소프트웨어. 2021년에 그들은 Ramdya의 팀을 개발했습니다. 리프트포즈3D– 단일 카메라에서 촬영한 3D 이미지에서 2D 동물 포즈를 재구성하는 방법.
이러한 노력은 2022년 출판물을 통해 보완되었습니다. 뉴로메크플라이- 초파리의 형태학적으로 정확한 최초의 디지털 "쌍둥이".
그러나 우리 앞에는 항상 더 많은 도전이 있습니다. 목표는 단지 유기체의 지도를 만들고 이해하는 것이 아닙니다. 신경계 - 그 자체로 야심찬 작업 - 또한 파리처럼 민첩한 생체 영감 로봇을 개발하는 방법을 발견하는 것입니다.
라미야가 말했다. "이 작업 전에 우리가 가진 장애물은 동물의 건강이 악화되기 전에 짧은 기간 동안만 파리 모터 회로를 기록할 수 있다는 것이었습니다."
따라서 EPFL의 공학부 과학자들은 초파리 신경 활동을 장기간 모니터링하기 위한 도구를 개발했습니다.
Laura Hermans, Ph.D. 프로젝트를 주도한 학생이 말했습니다. “우리는 동물의 복부 신경 코드에 광학적으로 접근할 수 있는 미세 공학 장치를 개발했습니다. 그런 다음 이 장치를 파리의 흉부에 외과적으로 이식했습니다.”
“이러한 장치 중 하나인 임플란트를 사용하면 파리의 장기를 옆으로 움직여 아래의 복부 신경줄을 드러낼 수 있습니다. 그런 다음 투명한 미세 가공 창으로 흉부를 밀봉합니다. 이러한 장치로 파리를 갖게 되면 오랜 시간 동안 많은 실험을 통해 파리의 행동과 신경 활동을 기록할 수 있습니다.”
이러한 도구를 사용하면 과학자들이 단일 동물을 장기간 관찰할 수 있습니다. 이제 그들은 몇 시간이 아니라 며칠 또는 심지어 파리의 평생 동안 지속되는 연구를 수행할 수 있습니다.
헤르만스가 말했다. “예를 들어, 우리는 질병이 진행되는 동안 동물의 생물학이 어떻게 적응하는지 연구할 수 있습니다. 우리는 또한 변화를 연구할 수 있습니다 신경 회로 노화 동안의 활동과 구조. 파리의 복부 신경 코드는 동물의 운동 회로를 호스팅하므로 시간이 지남에 따라 또는 부상 후에 운동이 어떻게 진화하는지 연구할 수 있기 때문에 이상적입니다.”
셀만 사카는 말했다. “엔지니어로서 우리는 잘 정의된 기술적 과제를 갈망합니다. Pavan의 그룹은 시야를 차단하고 복부 신경 코드를 시각화하는 파리의 장기를 제거하는 해부 기술을 개발했습니다. 그러나 파리는 수술 후 몇 시간 동안만 생존할 수 있습니다. 우리는 임플란트가 흉부 안에 위치해야 한다고 확신했습니다. 쥐와 같은 더 큰 동물의 신경계를 시각화하는 유사한 기술이 있습니다. 우리는 이러한 솔루션에서 영감을 얻어 소형화 문제에 대해 생각하기 시작했습니다.”
초기 디자인은 파리의 내부 장기를 유지하고 안전하게 제거하여 복부 신경계를 노출시키면서 수술 후 파리가 생존할 수 있도록 하는 문제를 해결하려고 시도했습니다.
사카가 말했다. "이 과제를 수행하려면 생명 과학 및 공학 관점 모두에서 문제에 접근할 수 있는 사람이 필요합니다. 이는 Laura [Hermans] 및 Murat [Kaynak] 작업의 중요성을 강조합니다."
초기 임플란트가 뻣뻣했기 때문에 몇 마리의 파리만 살아남았습니다. 이미징 품질을 저하시키지 않으면서 생존율을 높이려면 여러 설계 변경이 필요했습니다. 파리의 장기를 옆으로 안전하게 이동시키고 복측 화음을 드러낼 수 있는 V자형 순응성 임플란트는 간단하면서도 효과적입니다. 이를 통해 과학자들은 표피의 구멍을 "바코드 흉부 창"으로 봉인할 수 있었고, 이를 통해 파리가 일상 생활을 할 때 복부 신경 코드를 관찰하고 신경 활동을 측정할 수 있었습니다.
사카가 말했다. “동물 간의 해부학적 차이를 고려하여 안전하고 적응 가능한 솔루션을 찾아야 했습니다. 우리의 임플란트는 이러한 특별한 요구를 해결합니다. 우리는 적절한 조직 미세조작 도구 및 반복적인 이미징 세션 동안 동물을 탑재하기 위한 3D 나노프린트 호환 스테이지 개발과 함께 신경과학 연구를 위한 다목적 툴킷을 제공합니다.”
라미야 말했다, “파리를 연구함으로써 우리는 비교적 단순한 것을 이해하는 것이 더 복잡한 유기체를 이해하기 위한 토대를 마련할 수 있다고 믿습니다. 수학을 배울 때 선형 대수학을 배우지 않습니다. 먼저 더하고 빼는 방법을 배웁니다. 또한 로봇의 경우 "단순한" 곤충이 어떻게 작동하는지 이해하는 것이 환상적일 것입니다."
"팀의 다음 단계는 새로운 방법론을 사용하여 초파리 운동 제어의 메커니즘을 푸는 것입니다. 생물학적 시스템은 예를 들어 뉴런의 흥분성이나 시냅스의 강도와 같이 동적으로 조절할 수 있다는 점에서 인공 시스템과 비교할 때 독특합니다. 따라서 생물학적 시스템을 민첩하게 만드는 요인을 이해하려면 이러한 역동성을 관찰할 수 있어야 합니다. 우리의 경우 예를 들어, 운동 시스템이 동물의 일생 동안 노화에 대해 또는 부상 후 회복 중에 어떻게 반응하는지 살펴보고 싶습니다.”
저널 참조 :
- Laura Hermans, Murat Kaynak, Jonas Braun 등 마이크로 엔지니어링된 장치는 성인 초파리 행동에서 복부 신경 코드의 장기 이미징을 가능하게 합니다. 자연 통신, 25년 2022월 XNUMX일. DOI: 10.1038 / s41467-022-32571-y
