De dynamiek en connectiviteit van neurale circuits veranderen continu op tijdschalen variërend van milliseconden tot het leven van een dier. Daarom zijn, om biologische netwerken te begrijpen, minimaal invasieve methoden vereist om ze herhaaldelijk op te nemen in zich gedragende dieren.
Wetenschappers bij EPFL hebben een implantatietechniek ontwikkeld die ongekende optische toegang tot het "ruggenmerg" van de fruitvlieg, Drosophila melanogaster, mogelijk maakt.
Wetenschappers hebben digitaal geprobeerd de principes te recapituleren die ten grondslag liggen aan de motorische controle van Drosophila. In 2019 ontwikkelden ze DeepFly3D– een op deep learning gebaseerde motion-capture-software die meerdere cameraweergaven gebruikt om de 3D-bewegingen van ledematen van zich gedragende vliegen te kwantificeren. In 2021 ontwikkelden ze Ramdya's team onthuld LiftPose3D– een methode voor het reconstrueren van 3D-dierhoudingen op basis van 2D-beelden die met een enkele camera zijn gemaakt.
Deze inspanningen werden aangevuld met hun publicatie in 2022 via NeuroMechFly– de eerste morfologisch nauwkeurige digitale “tweeling” van Drosophila.
Maar er zijn altijd meer uitdagingen. Het doel is niet alleen om de organismen van een organisme in kaart te brengen en te begrijpen zenuwstelsel – een ambitieuze taak op zich – maar ook om te ontdekken hoe je bio-geïnspireerde robots kunt ontwikkelen die zo wendbaar zijn als vliegen.
Ramya zei: "Het obstakel dat we vóór dit werk hadden, was dat we slechts korte tijd vliegmotorcircuits konden opnemen voordat de gezondheid van het dier verslechterde."
Daarom hebben wetenschappers van EPFL's School of Engineering tools ontwikkeld om de neurale activiteit van Drosophila gedurende langere perioden te volgen.
Laura Hermans, een Ph.D. student die het project leidde, zei: "We hebben micro-engineered apparaten ontwikkeld die optische toegang bieden tot het ventrale zenuwkoord van het dier. Vervolgens implanteerden we deze apparaten operatief in de thorax van de vlieg.”
"Een van deze apparaten, een implantaat, stelt ons in staat om de organen van de vlieg opzij te bewegen om het ventrale zenuwkoord eronder te onthullen. Vervolgens sluiten we de thorax af met een transparant microfabricagevenster. Zodra we vliegen met deze apparaten hebben, kunnen we het gedrag en de neurale activiteit van de vlieg gedurende vele experimenten gedurende lange tijdspannes vastleggen.
Deze tools maken langdurige observatie van een enkel dier door wetenschappers mogelijk. Nu kunnen ze onderzoeken uitvoeren die dagen of zelfs het hele leven van de vlieg duren, in plaats van slechts een paar uur.
Hermans zei, “We kunnen bijvoorbeeld bestuderen hoe de biologie van een dier zich aanpast tijdens ziekteprogressie. We kunnen ook veranderingen bestuderen in neuraal circuit activiteit en structuur tijdens het ouder worden. Het ventrale zenuwkoord van de vlieg is ideaal omdat het de motorcircuits van het dier herbergt, waardoor we kunnen bestuderen hoe voortbeweging evolueert in de tijd of na een verwonding."
Selman Sakar zei: “Als ingenieurs snakken we naar goed gedefinieerde technische uitdagingen. Pavan's groep heeft een dissectietechniek ontwikkeld om de organen van de vlieg te verwijderen die het gezichtsveld blokkeren en het ventrale zenuwkoord te visualiseren. De vliegen kunnen echter maar een paar uur na de operatie overleven. We waren ervan overtuigd dat er een implantaat in de thorax moest worden geplaatst. Er zijn analoge technieken om het zenuwstelsel van grotere dieren zoals ratten te visualiseren. We haalden inspiratie uit deze oplossingen en begonnen na te denken over het miniaturiseringsvraagstuk.”
Vroege ontwerpen probeerden het probleem op te lossen van het vasthouden en veilig verwijderen van de interne organen van de vlieg om het ventrale zenuwstelsel bloot te leggen terwijl de vlieg na de operatie kon overleven.
Sakar zei, "Voor deze uitdaging heb je iemand nodig die een probleem kan benaderen met zowel een biowetenschappelijk als een technisch perspectief - dit benadrukt het belang van Laura's [Hermans] en Murats [Kaynak] werk."
Slechts een paar vliegen overleefden de eerste implantaten omdat ze stijf waren. Er waren meerdere ontwerpwijzigingen nodig om de overlevingskansen te verhogen zonder de beeldkwaliteit te verminderen. Het winnende ontwerp - een V-vormig meegevend implantaat dat de organen van de vlieg veilig opzij kan bewegen en het ventrale akkoord kan onthullen, is eenvoudig maar effectief. Hierdoor konden wetenschappers het gat op de cuticula afdichten met een "barcoded thoracaal venster", waardoor ze het ventrale zenuwkoord kunnen observeren en metingen kunnen doen van de neuronale activiteit terwijl de vlieg zijn dagelijkse leven doormaakt.
Sakar zei, “Gezien de dier-tot-dier variaties in de anatomie, moesten we een veilige en adaptieve oplossing vinden. Ons implantaat voorziet in deze specifieke behoefte. We bieden een veelzijdige toolkit voor neurowetenschappelijk onderzoek, samen met het ontwikkelen van goede weefselmicromanipulatietools en een 3D-nanoprint-compatibel podium voor het monteren van dieren tijdens herhaalde beeldvormingssessies."
Ramya zei, "Door de vlieg te bestuderen, geloven we dat het begrijpen van iets dat relatief eenvoudig is, de basis kan leggen voor het begrijpen van meer gecompliceerde organismen. Als je wiskunde leert, duik je niet in lineaire algebra; je leert eerst optellen en aftrekken. Bovendien zou het voor robotica fantastisch zijn om te begrijpen hoe zelfs een "eenvoudig" insect werkt."
"De volgende stap voor het team is om hun nieuwe methodologie te gebruiken om de mechanismen van bewegingscontrole van Drosophila te ontrafelen. Biologische systemen zijn uniek in vergelijking met kunstmatige systemen omdat ze dynamisch kunnen moduleren, bijvoorbeeld de prikkelbaarheid van neuronen of de kracht van synapsen. Dus om te begrijpen wat biologische systemen zo wendbaar maakt, moet je deze dynamiek kunnen waarnemen. In ons geval willen we bijvoorbeeld kijken hoe motorsystemen gedurende het leven van een dier reageren op veroudering of tijdens herstel na een blessure.”
Journal Reference:
- Laura Hermans, Murat Kaynak, Jonas Braun, et al. Micro-ontworpen apparaten maken langdurige beeldvorming van het ventrale zenuwkoord mogelijk bij het gedragen van volwassen Drosophila. Nature Communications, 25 augustus 2022. DOI: 10.1038 / s41467-022-32571-y
