Et vindue ind til frugtfluens nervesystem

Forskere ved EPFL har udviklet en implantationsteknik, der giver hidtil uset optisk adgang til "rygmarven" af frugtfluen, Drosophila melanogaster. Dette arbejde kan potentielt føre til gennembrud inden for neurovidenskab, kunstig intelligens og bio-inspireret robotteknologi.

At forstå biologisk motorisk kontrol kræver evnen til at registrere neural aktivitet, mens dyr opfører sig," siger professor Pavan Ramdya ved EPFL's School of Life Sciences. "Vi har en milliard neuroner i den menneskelige rygmarv - et massivt system - og vi kan ikke manipulere neuroner i et menneske på den måde, vi kan med dyr. Drosophila, frugtfluen, er en meget lille organisme, hvor man genetisk kan manipulere og afbilde aktiviteten af ​​næsten hele det motoriske kredsløb i opførende dyr."

I årevis har Ramdyas forskning fokuseret på digitalt at rekapitulere principperne bag Drosophila motorkontrol. I 2019 udgav hans gruppe DeepFly3D, en deep-learning-baseret motion-capture-software, der bruger flere kameravisninger til at kvantificere 3D-lemmebevægelserne af opførende fluer. I 2021 afslørede Ramdyas team LiftPose3D, en metode til at rekonstruere 3D-dyrestillinger fra 2D-billeder taget fra et enkelt kamera. Disse bestræbelser blev suppleret af hans udgivelse i 2022 af NeuroMechFly, en første morfologisk nøjagtig digital "tvilling" af Drosophila.

Men der er altid flere udfordringer forude, især inden for dette felt, der ligger i grænsefladen mellem biologi, neurovidenskab, datalogi og robotteknologi. Målet er ikke blot at kortlægge og forstå en organismes nervesystem – en ambitiøs opgave i sig selv – men også at opdage, hvordan man udvikler bio-inspirerede robotter, der er smidige som fluer.

"Den hindring, vi havde før dette arbejde," siger Ramdya, "var, at vi kun kunne optage flyvemotoriske kredsløb i en kort periode, før dyrets helbred forværredes."

Derfor gik Ramdya sammen med professor Selman Sakar ved EPFL's School of Engineering for at udvikle værktøjer til at overvåge Drosophila neurale aktivitet i længere perioder, op til hele insektets levetid. Dette projekt blev ledet af Laura Hermans, ph.d. studerende, der er blevet co-superviseret af både Ramdya og Sakar.

Et vindue ind i den ventrale nervesnor

"Vi udviklede mikrotekniske enheder, der giver optisk adgang til dyrets ventrale nervestreng," siger Herman med henvisning til fluens ækvivalent til rygmarven. "Vi implanterede derefter disse enheder kirurgisk i fluens thorax," fortsætter hun. "Et af disse enheder, et implantat, giver os mulighed for at flytte fluens organer til side for at afsløre den ventrale nervestreng nedenfor. Vi forsegler derefter thoraxen med et gennemsigtigt mikrofabrikeret vindue. Når vi har fluer med disse enheder, kan vi registrere fluens adfærd såvel som dets neurale aktivitet på tværs af en bred vifte af eksperimenter over lange tidsrum."

Formålet bag alle disse værktøjer er at give forskere mulighed for at observere et individuelt dyr over lange perioder. De kan nu udføre eksperimenter, der strækker sig ud over kun et par timer og endda kan dække hele fluens levetid. "For eksempel kan vi studere, hvordan et dyrs biologi tilpasser sig under sygdomsprogression," siger Hermans. "Vi kan også studere ændringer i neurale kredsløbsaktivitet og struktur under aldring. Fluens ventrale nervesnor er ideel, fordi den er vært for dyrets motoriske kredsløb, hvilket giver os mulighed for at studere, hvordan bevægelse udvikler sig over tid eller efter skade."

Implantatet

"Som ingeniører higer vi efter sådanne veldefinerede tekniske udfordringer," siger Selman Sakar. "Pavans gruppe har udviklet en dissektionsteknik til at fjerne de organer fra fluen, der blokerer synsfeltet og visualiserer den ventrale nervesnor. Fluerne kan dog kun overleve i få timer efter operationen. Vi var overbeviste om, at et implantat har skal placeres i thorax. Der er analoge teknikker til at visualisere nervesystemet hos større dyr såsom rotter. Vi fik inspiration fra disse løsninger og begyndte at tænke på miniaturiseringsproblematikken."

De tidlige prototyper forsøgte at løse udfordringen med at bevæge sig sikkert og holde fluens organer til side for at afdække den ventrale nervestreng, samtidig med at fluen kunne overleve efter operationen.

"Til denne udfordring har du brug for nogen, der kan nærme sig et problem med både biovidenskabelige og tekniske perspektiver - dette understreger vigtigheden af ​​Lauras [Hermans] og Murats [Kaynak] arbejde," siger Sakar.

De tidlige implantater var stive, og meget få fluer overlevede proceduren. At forsøge at forbedre overlevelsesraterne uden at ofre billedkvaliteten udgjorde en udfordring, der tog adskillige designgentagelser. I sidste ende var vinderen en enkel, men effektiv prototype:et V-formet kompatibelt implantat, der sikkert kan flytte fluens organer til side, afdække bugsnoren og tillade forskerne at forsegle hullet på neglebåndet med en "stregkodet thorax. vindue", som giver dem mulighed for at observere den ventrale nervestreng og foretage målinger af den neuronale aktivitet, mens fluen går i sit daglige liv.

"I betragtning af variationerne mellem dyr og dyr i anatomien, var vi nødt til at finde en sikker og tilpasningsdygtig løsning," siger Sakar. "Vores implantat imødekommer dette særlige behov. Sammen med udviklingen af ​​passende vævsmikromanipulationsværktøjer og et 3D-nanoprint-kompatibelt stadium til montering af dyr under gentagne billedbehandlingssessioner, leverer vi et komplet alsidigt værktøjssæt til neurovidenskabelig forskning."

En åben vej

Præstationen er et eksempel på den åbne og tværfaglige forskning, der er typisk for EPFL. "Siden dag ét har vi været meget åbne med at dele teknologien," siger Sakar. "Idéen her er hurtigt at formidle værktøjerne og metoderne, så vi kan facilitere både videreudvikling af teknologien og den opdagelsesproces, de tilbyder inden for mange forskningsdomæner. En række grupper vil gerne, tror jeg, udforske vores teknologi. ."

"Ved at studere fluen tror vi, at forståelsen af ​​noget relativt simpelt kan lægge grunden til at forstå mere komplicerede organismer," siger Ramdya. "Når du lærer matematik, dykker du ikke ned i lineær algebra; du lærer først at lægge til og trække fra. Derudover ville det for robotteknologi være fantastisk at forstå, hvordan selv et "simpelt" insekt fungerer."

Det næste trin for holdet er at bruge deres nye metode til at optrevle mekanismerne for Drosophila-bevægelseskontrol. "Biologiske systemer er virkelig unikke sammenlignet med kunstige systemer ved, at de dynamisk kan modulere for eksempel neuronernes excitabilitet eller styrken af ​​synapser," tilføjer Ramdya. "Så for at forstå, hvad der gør biologiske systemer så smidige, skal du kunne observere denne dynamik. I vores tilfælde vil vi gerne se på, hvordan f.eks. motoriske systemer reagerer over et dyrs levetid på aldring eller under bedring efter skade."

Den aktuelle undersøgelse er offentliggjort i Nature Communications . + Udforsk yderligere

Ny teknik afslører lemmerkontrol hos fluer – og måske robotter