Squishy hydras simple kredsløb klar til deres nærbillede

Bare fordi et dyr er blødt og squishy, ​​betyder det ikke, at det ikke er hårdt. Eksperimenter ved Rice University viser, at den ydmyge hydra er et godt eksempel.

Hydraen ser ikke ud til at blive ældre - og dør tilsyneladende aldrig af alderdom. Hvis du skærer en i to, du får hydrae. Og hver kan spise dyr, der er dobbelt så store.

Disse dyr er overlevende, og det gør dem værdige til at studere, ifølge Rice el- og computeringeniør Jacob Robinson.

Robinson og hans team har udviklet metoder til at korralere de små, blæksprutte-lignende hydrae og udføre den første omfattende karakterisering af forholdet mellem neural aktivitet og muskelbevægelser i disse skabninger. Deres resultater vises i Royal Society of Chemistry journal Lab on a Chip.

Forskerne brugte flere metoder til at afsløre de grundlæggende neurale mønstre, der driver aktiviteterne i ferskvand hydra vulgaris:De immobiliserede dyrene i snævre, nålebelastede passager, faldt dem ind på arenaer, der var cirka en tiendedel på størrelse med en skilling og lod dem udforske vidder. De forventer, at deres analyse vil hjælpe dem med at identificere mønstre, der er bevaret ved evolution i større hjernearkitekturer.

Robinson er en neuroingeniør med ekspertise inden for mikrofluidik, manipulation af væsker og deres indhold i små skalaer. Hans laboratorium har udviklet en række chipbaserede systemer, der lader forskere styre bevægelser og endda opsuge biologiske systemer-celler og små dyr-for at studere dem tæt og over lange perioder.

Laboratoriet har undersøgt alt det ovenstående med sin skik, mikrofluidicsystemer med høj gennemstrømning, med orme, der repræsenterer "dyr" -delen.

Men hydrae, som topper ud på cirka en halv centimeter lang, fås i forskellige størrelser og ændrer deres former efter behag. Det gav ingeniørerne særlige udfordringer.

"C. elegans (rundorm) og hydrae har ligheder, "Robinson sagde." De er små og gennemsigtige og har relativt få neuroner, og det gør det lettere at observere aktiviteten af ​​hver hjernecelle på samme tid.

"Men der er enorme biologiske forskelle, "sagde han." Ormen har præcis 302 neuroner, og vi ved nøjagtigt, hvordan det er kablet. Hydrae kan vokse og krympe. De kan skæres i stykker og danne nye dyr, så antallet af neuroner indeni kan ændre sig med faktorer på 10.

"Det betyder, at der er en grundlæggende forskel i dyrenes neurobiologi:Hvor ormen skal have et præcist kredsløb, hydrae kan have et hvilket som helst antal kredsløb, reorganisere på forskellige måder og stadig udføre relativt ens adfærd. Det gør dem virkelig sjove at studere. "

Mikrofluidikplatformen lader laboratoriet udskille en enkelt hydra i op til 10 timer for at studere neurologisk aktivitet under forskellige adfærd som kropssøjle og tentakelsammentrækning, bøjning og translokation. Nogle af hydraerne var vilde, mens andre blev modificeret til at udtrykke fluorescerende eller andre proteiner. Fordi den bedste måde at karakterisere en hydra er at se den i cirka en uge, laboratoriet bygger en kameraladet vifte af mikrofluidiske chips til at producere time-lapse-film med op til 100 dyr på én gang.

"Hvis du ser på dem med det blotte øje, de sidder bare der, "Sagde Robinson." De er lidt kedelige. Men hvis du fremskynder tingene med time-lapse-billeddannelse, de udfører alle former for interessant adfærd. De prøver på deres miljø; de bevæger sig frem og tilbage. "

Elektrofysiologiske tests blev muliggjort af laboratoriets udvikling af Nano-SPEAR'er, mikroskopiske sonder, der måler elektrisk aktivitet i de enkelte cellers små dyr. Nålene strækker sig fra midten af ​​den timeglasformede indfangningsindretning og trænger ind i en hydras celler uden at gøre permanent skade på dyret.

Nano-SPEARS ser ikke ud til at måle aktiviteten af ​​neuroner inde i dyret, så forskerne brugte calciumfølsomme proteiner til at udløse fluorescerende signaler i hydras celler og producerede tidsforløbne film, hvor neuroner lyste op, da de trak sig sammen. "Vi bruger calcium som en proxy for elektrisk aktivitet inde i cellen, "Sagde Robinson." Når en celle bliver aktiv, det elektriske potentiale på tværs af dets membran ændres. Ionkanaler åbner sig og lader calcium komme ind. "Med denne tilgang, laboratoriet kunne identificere mønstrene for neural aktivitet, der drev muskelsammentrækninger.

"Calciumbilleddannelse giver os rumlig opløsning, så jeg ved, hvor cellerne er aktive, "sagde han." Det er vigtigt at forstå, hvordan hjernen i denne organisme fungerer. "

Manipulering af hydrae er en erhvervet færdighed, ifølge kandidatstuderende og hovedforfatter Krishna Badhiwala. "Hvis du håndterer dem med pipetter, de er virkelig lette, men de holder sig til stort set alt, " hun sagde.

"Det er lidt svært at stramme dem ind i mikrofluidik, fordi de egentlig bare er en to-cellers-tyk krop, "Badhiwala sagde." Du kan forestille dig, at de let makuleres. Vi kom til sidst til det punkt, hvor vi er rigtig gode til at indsætte dem uden at skade dem for meget. Det kræver bare en smule fingerfærdighed og stabilitet. "

Med dette og fremtidige undersøgelser, teamet håber at forbinde neural aktivitet og muskelrespons for at lære om lignende forbindelser i andre medlemmer af dyreriget.

"C. elegans, drosophila (frugtfluer), rotter, mus og mennesker er bilaterere, "Sagde Robinson." Vi har alle bilateral symmetri. Det betyder, at vi delte en fælles forfader, flere hundrede millioner år siden. Hydrae tilhører en anden gruppe af dyr kaldet cnidarians, som er radialt symmetriske. Det er ting som vandmænd, og de har en mere fjern forfader.

"Men hydrae og mennesker delte en fælles forfader, som vi mener var det første dyr, der havde neuroner, "sagde han." Fra denne forfader kom alle de nervesystemer, vi ser i dag.

"Ved at se på organismer i forskellige dele af det fylogenetiske træ, vi kan tænke over, hvad der er fælles for alle dyr med nervesystem. Hvorfor har vi et nervesystem? Hvad er det godt for? Hvad er de ting, en hydra kan gøre, som orme og mennesker også kan gøre? Hvad er de ting, de ikke kan gøre?

"Den slags spørgsmål vil hjælpe os med at forstå, hvordan vi har udviklet det nervesystem, vi har, "Sagde Robinson.

Medforfattere er Rice-kandidatstuderende Daniel Gonzales og Benjamin Avants og alumnus Daniel Vercosa, nu ingeniør ved Intel Corp. Robinson er adjunkt i el- og computerteknik.