Динамика и связность нейронных цепей постоянно меняются во времени от миллисекунд до жизни животного. Следовательно, чтобы понять биологические сети, необходимы минимально инвазивные методы их многократной регистрации в поведении животных.
Ученые EPFL разработали технику имплантации, которая обеспечивает беспрецедентный оптический доступ к «спинному мозгу» плодовой мухи Drosophila melanogaster.
Ученые пытались в цифровом формате воспроизвести принципы, лежащие в основе моторного контроля дрозофилы. В 2019 году они разработали ДипФлай3D– программное обеспечение для захвата движения на основе глубокого обучения, которое использует изображения с нескольких камер для количественной оценки трехмерных движений конечностей поведение мух. В 3 году они разработали команду Рамдья. ЛифтПоза3D– метод реконструкции 3D-поз животных по 2D-изображениям, снятым одной камерой.
Эти усилия были дополнены их публикацией в 2022 году через НейроМехФлай– первый морфологически точный цифровой «двойник» дрозофилы.
Но впереди всегда больше задач. Цель состоит не только в том, чтобы составить карту и понять структуру организма. нервная система – амбициозная задача сама по себе – но также и выяснить, как разработать биороботов, которые будут такими же проворными, как мухи.
Рамья сказала: «Препятствием, с которым мы сталкивались перед этой работой, было то, что мы могли записывать моторные цепи мух только в течение короткого периода времени, прежде чем здоровье животного ухудшилось».
Поэтому ученые Инженерной школы EPFL разработали инструменты для мониторинга нейронной активности дрозофилы в течение более длительных периодов времени.
Лаура Херманс, доктор философии. Студент, который возглавил проект, сказал: «Мы разработали микроинженерные устройства, обеспечивающие оптический доступ к брюшному нервному стволу животного. Затем мы хирургическим путем имплантировали эти устройства в грудную клетку мухи».
«Одно из этих устройств, имплантат, позволяет нам отодвигать органы мухи в сторону, чтобы обнажить брюшную нервную цепочку внизу. Затем мы запечатываем грудную клетку прозрачным микроокном. Как только у нас появятся мухи с этими устройствами, мы сможем записывать поведение мух и нервную активность во многих экспериментах в течение длительного времени».
Эти инструменты позволяют ученым длительное время наблюдать за одним животным. Теперь они могут проводить исследования, которые длятся несколько дней или даже всей жизни мухи, а не всего несколько часов.
Германс сказал: «Например, мы можем изучить, как биология животного адаптируется во время прогрессирования заболевания. Мы также можем изучать изменения в нейронная цепь активность и структура в процессе старения. Вентральный нервный канатик мухи идеален, поскольку в нем находится двигательная система животного, что позволяет нам изучать, как развивается локомоция с течением времени или после травмы».
Сельман Сакар сказал: «Как инженеры, мы жаждем четко определенных технических задач. Группа Павана разработала технику вскрытия, позволяющую удалить из мухи органы, которые блокируют поле зрения, и визуализировать вентральный нервный канатик. Однако мухи могут выжить только в течение нескольких часов после операции. Мы были убеждены, что имплантат необходимо установить в грудную клетку. Существуют аналогичные методы визуализации нервной системы более крупных животных, например крыс. Мы вдохновились этими решениями и начали думать о проблеме миниатюризации».
Ранние разработки пытались решить проблему сохранения и безопасного удаления внутренних органов мухи, чтобы обнажить вентральную нервную систему, позволяя при этом мухе выжить после операции.
Сакар сказал: «Для этой задачи вам нужен кто-то, кто сможет подойти к проблеме как с точки зрения науки о жизни, так и с инженерной точки зрения – это подчеркивает важность работы Лоры [Херманс] и Мурата [Кайнак]».
Лишь немногие мухи пережили первоначальные имплантаты, потому что они были жесткими. Потребовалось множество изменений в конструкции, чтобы повысить выживаемость без ухудшения качества изображения. Победившая конструкция — V-образный податливый имплант, который может безопасно отодвигать органы мухи и обнажать брюшную хорду — проста, но эффективна. Это позволило ученым закрыть отверстие в кутикуле с помощью «грудного окна со штрих-кодом», которое позволяет им наблюдать за вентральным нервным шнуром и измерять активность нейронов во время повседневной жизни мухи.
Сакар сказал: «Учитывая различия в анатомии животных, нам нужно было найти безопасное и адаптивное решение. Наш имплантат удовлетворяет именно эту потребность. Мы предоставляем универсальный набор инструментов для нейробиологических исследований, а также разрабатываем подходящие инструменты для микроманипуляции с тканями и платформу, совместимую с 3D-нанопечатью, для установки на животных во время повторяющихся сеансов визуализации».
Ramya — сказал, «Изучая мух, мы считаем, что понимание чего-то относительно простого может заложить основу для понимания более сложных организмов. Когда вы изучаете математику, вы не погружаетесь в линейную алгебру; сначала вы научитесь складывать и вычитать. Кроме того, для робототехники было бы здорово понять, как работает даже «простое» насекомое».
«Следующим шагом для команды является использование их новой методологии для разгадки механизмов контроля движений дрозофилы. Биологические системы уникальны по сравнению с искусственными системами тем, что могут динамически модулировать, например, возбудимость нейронов или силу синапсов. Итак, чтобы понять, что делает биологические системы такими гибкими, вам нужно уметь наблюдать этот динамизм. В нашем случае мы хотели бы посмотреть, как, например, двигательные системы реагируют в течение жизни животного на старение или во время восстановления после травмы».
Справочник журнала:
- Лаура Херманс, Мурат Кайнак, Йонас Браун и др. Микроинженерные устройства позволяют осуществлять долгосрочную визуализацию вентрального нервного канатика взрослой дрозофилы. Природа связи, 25 августа 2022 г. DOI: 10.1038 / s41467-022-32571-й
