A dinâmica e a conectividade dos circuitos neurais mudam continuamente em escalas de tempo que variam de milissegundos até a vida de um animal. Portanto, para entender as redes biológicas, são necessários métodos minimamente invasivos para registrá-las em animais se comportando repetidamente.
Cientistas em EPFL desenvolveram uma técnica de implantação que permite acesso óptico sem precedentes à “medula espinhal” da mosca da fruta, Drosophila melanogaster.
Os cientistas têm tentado digitalmente recapitular os princípios subjacentes ao controle motor da Drosophila. Em 2019, eles desenvolveram DeepFly3D– um software de captura de movimento baseado em aprendizado profundo que usa várias visualizações de câmera para quantificar os movimentos 3D dos membros de moscas em comportamento. Em 2021, eles desenvolveram a equipe de Ramdya revelada LiftPose3D– um método para reconstruir poses de animais 3D a partir de imagens 2D tiradas de uma única câmera.
Esses esforços foram complementados por sua publicação em 2022 por meio de NeuroMechFly– o primeiro “gêmeo” digital morfologicamente preciso de Drosophila.
Mas sempre há mais desafios pela frente. O objetivo não é apenas mapear e entender as características de um organismo sistema nervoso – uma tarefa ambiciosa por si só – mas também para descobrir como desenvolver robôs de inspiração biológica que sejam tão ágeis quanto moscas.
Ramya disse, “O obstáculo que tínhamos antes deste trabalho era que só podíamos gravar circuitos motores de moscas por um curto período de tempo antes que a saúde do animal se deteriorasse.”
Assim, os cientistas da Escola de Engenharia da EPFL desenvolveram ferramentas para monitorar a atividade neural da Drosophila por períodos mais longos.
Laura Hermans, Ph.D. aluno que liderou o projeto, disse: “Desenvolvemos dispositivos de microengenharia que fornecem acesso óptico ao cordão nervoso ventral do animal. Em seguida, implantamos cirurgicamente esses dispositivos no tórax da mosca.”
“Um desses dispositivos, um implante, nos permite mover os órgãos da mosca para o lado para revelar o cordão nervoso ventral abaixo. Em seguida, selamos o tórax com uma janela microfabricada transparente. Uma vez que tenhamos moscas com esses dispositivos, podemos registrar o comportamento e a atividade neural da mosca em muitos experimentos por longos períodos de tempo.”
Essas ferramentas permitem a observação prolongada de um único animal pelos cientistas. Agora, eles podem realizar estudos que duram dias ou até mesmo a vida inteira da mosca, em vez de apenas algumas horas.
Hermans disse, “Por exemplo, podemos estudar como a biologia de um animal se adapta durante a progressão da doença. Também podemos estudar as mudanças circuito neural atividade e estrutura durante o envelhecimento. O cordão nervoso ventral da mosca é ideal porque hospeda o circuito motor do animal, permitindo-nos estudar como a locomoção evolui ao longo do tempo ou após uma lesão.”
Selman Sakar disse, “Como engenheiros, ansiamos por desafios técnicos bem definidos. O grupo de Pavan desenvolveu uma técnica de dissecção para remover os órgãos da mosca que bloqueiam o campo de visão e visualizar o cordão nervoso ventral. No entanto, as moscas só podem sobreviver por algumas horas após a cirurgia. Estávamos convencidos de que um implante deveria ser colocado dentro do tórax. Existem técnicas análogas para visualizar o sistema nervoso de animais maiores, como ratos. Nos inspiramos nessas soluções e começamos a pensar na questão da miniaturização.”
Os primeiros projetos tentaram resolver o problema de reter e remover com segurança os órgãos internos da mosca para expor o sistema nervoso ventral, permitindo que a mosca sobrevivesse após a cirurgia.
Sakar disse, “Para este desafio, você precisa de alguém que possa abordar um problema com perspectivas de ciências da vida e engenharia – isso destaca a importância do trabalho de Laura [Hermans] e Murat [Kaynak].”
Apenas algumas moscas sobreviveram aos implantes iniciais porque eram rígidos. Foram necessárias várias alterações de design para aumentar as taxas de sobrevivência sem degradar a qualidade da imagem. O projeto vencedor - um implante compatível em forma de V que pode mover com segurança os órgãos da mosca para o lado e revelar a corda ventral, é simples, mas eficaz. Isso permitiu que os cientistas selassem o buraco na cutícula com uma “janela torácica com código de barras”, que lhes permite observar o cordão nervoso ventral e fazer medições da atividade neuronal enquanto a mosca vive sua vida diária.
Sakar disse, “Considerando as variações anatômicas de animal para animal, tivemos que encontrar uma solução segura e adaptável. Nosso implante atende a essa necessidade específica. Fornecemos um kit de ferramentas versátil para pesquisa em neurociência, juntamente com o desenvolvimento de ferramentas adequadas de micromanipulação de tecidos e um estágio compatível com nanoimpressão 3D para montar animais durante sessões repetidas de imagens.”
Ramya dito, “Ao estudar a mosca, acreditamos que entender algo relativamente simples pode lançar as bases para a compreensão de organismos mais complicados. Quando você aprende matemática, você não mergulha na álgebra linear; você aprende como adicionar e subtrair primeiro. Além disso, para a robótica, seria fantástico entender como funciona até mesmo um inseto “simples”.
“O próximo passo da equipe é usar sua nova metodologia para desvendar os mecanismos de controle do movimento da Drosophila. Os sistemas biológicos são únicos em comparação com os sistemas artificiais, pois podem modular dinamicamente, por exemplo, a excitabilidade dos neurônios ou a força das sinapses. Então, para entender o que torna os sistemas biológicos tão ágeis, você precisa ser capaz de observar esse dinamismo. No nosso caso, gostaríamos de ver como, por exemplo, os sistemas motores respondem ao longo da vida de um animal ao envelhecimento ou durante a recuperação após uma lesão.”
Jornal de referência:
- Laura Hermans, Murat Kaynak, Jonas Braun, et al. Dispositivos de microengenharia permitem imagens de longo prazo do cordão nervoso ventral no comportamento de Drosophila adulta. Natureza das Comunicações, 25 de agosto de 2022. DOI: 10.1038 / s41467-022-32571-y
