ไดนามิกและการเชื่อมต่อของวงจรประสาทเปลี่ยนแปลงอย่างต่อเนื่องตามช่วงเวลาตั้งแต่มิลลิวินาทีจนถึงอายุของสัตว์ ดังนั้น เพื่อให้เข้าใจเครือข่ายทางชีววิทยา จำเป็นต้องมีวิธีการบุกรุกน้อยที่สุดในการบันทึกพวกมันในสัตว์ที่มีพฤติกรรมซ้ำ ๆ
นักวิทยาศาสตร์ที่ EPFL ได้พัฒนาเทคนิคการฝังที่ช่วยให้สามารถเข้าถึง "ไขสันหลัง" ของแมลงหวี่ Drosophila melanogaster ได้อย่างไม่เคยปรากฏมาก่อน
นักวิทยาศาสตร์ได้พยายามสรุปหลักการพื้นฐานของการควบคุมมอเตอร์แมลงหวี่แบบดิจิทัล ในปี 2019 พวกเขาพัฒนา DeepFly3D– ซอฟต์แวร์จับภาพการเคลื่อนไหวตามการเรียนรู้เชิงลึกที่ใช้มุมมองกล้องหลายตัวเพื่อวัดปริมาณการเคลื่อนไหวของแขนขา 3 มิติของพฤติกรรมของแมลงวัน ในปี 2021 พวกเขาพัฒนาทีมของ Ramdya เปิดเผย ลิฟท์ Pose3D– วิธีการสร้างท่าทางสัตว์ 3 มิติขึ้นมาใหม่จากภาพ 2 มิติที่ถ่ายจากกล้องตัวเดียว
ความพยายามเหล่านี้ได้รับการเสริมด้วยการตีพิมพ์ในปี พ.ศ. 2022 ถึง นิวโรเมคฟลาย- “แฝด” ดิจิทัลที่มีความแม่นยำทางสัณฐานวิทยาตัวแรกของแมลงหวี่
แต่มีความท้าทายรออยู่ข้างหน้าเสมอ จุดมุ่งหมายไม่ได้เป็นเพียงการทำแผนที่และทำความเข้าใจกับสิ่งมีชีวิต ระบบประสาท – เป็นงานที่มีความทะเยอทะยานในตัวของมันเอง – แต่ยังรวมถึงการค้นพบวิธีพัฒนาหุ่นยนต์ที่ได้รับแรงบันดาลใจจากชีวภาพที่ว่องไวราวกับแมลงวัน
รามิยากล่าวว่า “อุปสรรคที่เรามีก่อนงานนี้คือเราสามารถบันทึกวงจรบินได้ในช่วงเวลาสั้น ๆ ก่อนที่สุขภาพของสัตว์จะทรุดโทรม”
ดังนั้นนักวิทยาศาสตร์ของ School of Engineering ของ EPFL จึงได้พัฒนาเครื่องมือสำหรับตรวจสอบกิจกรรมของ Drosophila neural เป็นระยะเวลานานขึ้น
ลอร่า เฮอร์มันส์ ปริญญาเอก นักเรียนที่เป็นหัวหอกของโครงการกล่าวว่า “เราพัฒนาอุปกรณ์ไมโครเอ็นจิเนียริ่งที่ช่วยให้เข้าถึงเส้นประสาทหน้าท้องของสัตว์ได้ด้วยแสง จากนั้นเราก็ทำการฝังอุปกรณ์เหล่านี้เข้าไปในทรวงอกของแมลงวัน”
“หนึ่งในอุปกรณ์เหล่านี้ การปลูกถ่ายช่วยให้เราสามารถขยับอวัยวะของแมลงวันไปด้านข้างเพื่อเผยให้เห็นเส้นประสาทหน้าท้องด้านล่าง จากนั้นเราก็ปิดผนึกทรวงอกด้วยหน้าต่างไมโครแฟบริเคตที่โปร่งใส เมื่อเราบินด้วยอุปกรณ์เหล่านี้แล้ว เราสามารถบันทึกพฤติกรรมของแมลงวันและกิจกรรมทางประสาทในการทดลองต่างๆ ในช่วงเวลาที่ยาวนาน”
เครื่องมือเหล่านี้ช่วยให้นักวิทยาศาสตร์สามารถสังเกตสัตว์ตัวเดียวเป็นเวลานาน ตอนนี้ พวกเขาสามารถดำเนินการศึกษาที่คงอยู่นานวันหรือตลอดชีวิตของแมลงวัน แทนที่จะใช้เวลาเพียงไม่กี่ชั่วโมง
เฮอร์มันส์กล่าวว่า “ตัวอย่างเช่น เราสามารถศึกษาว่าชีววิทยาของสัตว์ปรับตัวอย่างไรในระหว่างที่โรคลุกลาม นอกจากนี้เรายังสามารถศึกษาการเปลี่ยนแปลงใน วงจรประสาท กิจกรรมและโครงสร้างในช่วงวัยชรา เส้นประสาทหน้าท้องของแมลงวันเหมาะเป็นอย่างยิ่งเพราะมันเป็นที่อยู่ของวงจรมอเตอร์ของสัตว์ ทำให้เราศึกษาว่าการเคลื่อนไหวเคลื่อนที่ไปอย่างไรเมื่อเวลาผ่านไปหรือหลังจากได้รับบาดเจ็บ”
เซลมาน ซาการ์ กล่าวว่า “ในฐานะวิศวกร เรากระหายความท้าทายทางเทคนิคที่ชัดเจน กลุ่มของ Pavan ได้พัฒนาเทคนิคการผ่าเพื่อเอาอวัยวะออกจากแมลงวันซึ่งปิดกั้นการมองเห็นและเห็นภาพเส้นประสาทหน้าท้อง อย่างไรก็ตาม แมลงวันสามารถอยู่รอดได้เพียงไม่กี่ชั่วโมงหลังการผ่าตัด เรามั่นใจว่าต้องใส่รากฟันเทียมภายในทรวงอก มีเทคนิคที่คล้ายคลึงกันในการแสดงภาพระบบประสาทของสัตว์ที่ใหญ่กว่า เช่น หนู เราได้รับแรงบันดาลใจจากโซลูชันเหล่านี้และเริ่มคิดถึงปัญหาการย่อขนาด”
การออกแบบในช่วงต้นพยายามแก้ปัญหาในการรักษาและถอดอวัยวะภายในของแมลงวันออกอย่างปลอดภัยเพื่อให้เห็นระบบประสาทหน้าท้องในขณะที่ปล่อยให้แมลงวันมีชีวิตรอดหลังการผ่าตัด
สาคร กล่าวว่า “สำหรับความท้าทายนี้ คุณต้องการใครสักคนที่สามารถแก้ไขปัญหาทั้งด้านวิทยาศาสตร์เพื่อชีวิตและมุมมองด้านวิศวกรรม ซึ่งเน้นให้เห็นถึงความสำคัญของงาน [Hermans] ของลอร่าและ [คายัค] ของมูรัต”
มีแมลงวันเพียงไม่กี่ตัวเท่านั้นที่รอดชีวิตจากการฝังรากฟันเทียมครั้งแรกได้เนื่องจากแข็ง จำเป็นต้องมีการเปลี่ยนแปลงการออกแบบหลายอย่างเพื่อเพิ่มอัตราการรอดชีวิตโดยไม่ทำให้คุณภาพของภาพลดลง การออกแบบที่ประสบความสำเร็จ - รากฟันเทียมรูปตัววีที่สามารถเคลื่อนย้ายอวัยวะของแมลงวันไปด้านข้างและเผยให้เห็นคอร์ดหน้าท้องได้อย่างปลอดภัยนั้นเรียบง่ายแต่มีประสิทธิภาพ สิ่งนี้ทำให้นักวิทยาศาสตร์สามารถปิดผนึกรูบนหนังกำพร้าด้วย "หน้าต่างทรวงอกที่มีบาร์โค้ด" ซึ่งช่วยให้พวกเขาสังเกตเส้นประสาทหน้าท้องและทำการวัดกิจกรรมของเซลล์ประสาทในขณะที่แมลงวันดำเนินไปในชีวิตประจำวัน
สาคร กล่าวว่า “เมื่อพิจารณาถึงความผันแปรของสัตว์สู่สัตว์ในกายวิภาคศาสตร์ เราต้องหาวิธีแก้ปัญหาที่ปลอดภัยและปรับตัวได้ รากฟันเทียมของเราตอบสนองความต้องการนี้โดยเฉพาะ เราจัดเตรียมชุดเครื่องมืออเนกประสงค์สำหรับการวิจัยทางประสาทวิทยา ร่วมกับการพัฒนาเครื่องมือการจัดการไมโครทิชชู่ที่เหมาะสม และขั้นตอนที่สอดคล้องกับนาโนพิมพ์ 3 มิติสำหรับการติดตั้งสัตว์ระหว่างการถ่ายภาพซ้ำๆ”
Ramya กล่าวว่า, “จากการศึกษาแมลงวัน เราเชื่อว่าการเข้าใจบางสิ่งที่ค่อนข้างง่ายสามารถวางรากฐานสำหรับการทำความเข้าใจสิ่งมีชีวิตที่ซับซ้อนมากขึ้นได้ เมื่อคุณเรียนคณิตศาสตร์ คุณจะไม่ดำดิ่งสู่พีชคณิตเชิงเส้น คุณเรียนรู้วิธีเพิ่มและลบก่อน นอกจากนี้ สำหรับวิทยาการหุ่นยนต์ การเข้าใจว่าแม้แต่แมลง "ธรรมดา" ก็ทำได้ยอดเยี่ยมเช่นกัน"
“ขั้นตอนต่อไปสำหรับทีมคือการใช้วิธีการใหม่เพื่อไขกลไกการควบคุมการเคลื่อนไหวของแมลงหวี่ ระบบชีวภาพมีความโดดเด่นเมื่อเทียบกับระบบประดิษฐ์ เนื่องจากสามารถปรับแบบไดนามิกได้ ตัวอย่างเช่น ความตื่นเต้นง่ายของเซลล์ประสาทหรือความแรงของไซแนปส์ ดังนั้น เพื่อให้เข้าใจถึงสิ่งที่ทำให้ระบบชีวภาพมีความว่องไว คุณจะต้องสามารถสังเกตไดนามิกนี้ได้ ในกรณีของเรา เราต้องการดูว่า ตัวอย่างเช่น ระบบมอเตอร์ตอบสนองตลอดช่วงชีวิตของสัตว์ต่อการแก่ชราหรือระหว่างการฟื้นตัวหลังได้รับบาดเจ็บ”
การอ้างอิงวารสาร:
- Laura Hermans, Murat Kaynak, Jonas Braun และคณะ อุปกรณ์ไมโครเอ็นจิเนียร์ช่วยให้สามารถถ่ายภาพสายเส้นประสาทหน้าท้องในระยะยาวในพฤติกรรมของแมลงหวี่ผู้ใหญ่ได้ การสื่อสารธรรมชาติ, 25 สิงหาคม 2022. ดอย: 10.1038 / s41467-022-32571-Y
