Forskare vid EPFL har utvecklat en implantationsteknik som tillåter oöverträffad optisk tillgång till "ryggmärgen" hos fruktflugan, Drosophila melanogaster. Detta arbete kan potentiellt leda till genombrott inom områdena neurovetenskap, artificiell intelligens och bioinspirerad robotik.

Att förstå biologisk motorisk kontroll kräver förmågan att registrera neural aktivitet medan djur beter sig", säger professor Pavan Ramdya vid EPFL:s School of Life Sciences. "Vi har en miljard neuroner i den mänskliga ryggmärgen – ett massivt system – och vi kan inte manipulera neuroner hos en människa på det sätt som vi kan med djur. Drosophila, fruktflugan, är en mycket liten organism där man genetiskt kan manipulera och avbilda aktiviteten hos nästan hela motorkretsen hos djur som beter sig."

I åratal har Ramdyas forskning fokuserat på att digitalt rekapitulera principerna bakom Drosophila motorstyrning. År 2019 publicerade hans grupp DeepFly3D, en djupinlärningsbaserad motion-capture-mjukvara som använder flera kameravyer för att kvantifiera 3D-lemrörelserna hos uppträdande flugor. 2021 avslöjade Ramdyas team LiftPose3D, en metod för att rekonstruera 3D-djurposer från 2D-bilder tagna från en enda kamera. Dessa ansträngningar kompletterades av hans publicering 2022 av NeuroMechFly, en första morfologiskt korrekt digital "tvilling" av Drosophila.

Men det finns alltid fler utmaningar framför sig, särskilt inom detta område som ligger i gränssnittet mellan biologi, neurovetenskap, datavetenskap och robotik. Syftet är inte att bara kartlägga och förstå nervsystemet hos en organism – en ambitiös uppgift i och för sig – utan också att upptäcka hur man utvecklar bioinspirerade robotar som är smidiga som flugor.

"Hindret som vi hade innan det här arbetet", säger Ramdya, "var att vi bara kunde registrera flygmotorkretsar under en kort period innan djurets hälsa försämrades."

Därför slog Ramdya ihop med professor Selman Sakar vid EPFLs School of Engineering för att utveckla verktyg för att övervaka Drosophila neurala aktivitet under längre tidsperioder, upp till insektens hela livslängd. Detta projekt leddes av Laura Hermans, en Ph.D. student som har handletts av både Ramdya och Sakar.

Ett fönster in i ventralnerven

"Vi utvecklade mikrotekniska enheter som ger optisk tillgång till djurets ventrala nervmärg", säger Herman och syftar på flugans motsvarighet till ryggmärgen. "Vi implanterade sedan kirurgiskt dessa enheter i flugans bröstkorg," fortsätter hon. "En av dessa enheter, ett implantat, tillåter oss att flytta flugans organ åt sidan för att avslöja den ventrala nervsträngen nedanför. Vi förseglar sedan bröstkorgen med ett genomskinligt mikrotillverkat fönster. När vi väl har flugor med dessa enheter kan vi registrera flugans beteende såväl som dess neurala aktivitet över ett brett spektrum av experiment under långa tidsperioder."

Syftet bakom alla dessa verktyg är att tillåta forskare att observera ett enskilt djur under långa tidsperioder. De kan nu utföra experiment som sträcker sig längre än bara några timmar och kan till och med täcka flugans hela livslängd. – Vi kan till exempel studera hur ett djurs biologi anpassar sig under sjukdomsprogression, säger Hermans. "Vi kan också studera förändringar i nervkretsens aktivitet och struktur under åldrande. Flugans ventrala nervsträng är idealisk eftersom den är värd för djurets motoriska kretsar, vilket gör att vi kan studera hur rörelserörelser utvecklas över tid eller efter skada."

Implantatet

"Som ingenjörer längtar vi efter sådana väldefinierade tekniska utmaningar", säger Selman Sakar. "Pavans grupp har utvecklat en dissektionsteknik för att ta bort de organ från flugan som blockerar synfältet och visualisera den ventrala nervsträngen. Flugorna kan dock bara överleva några timmar efter operationen. Vi var övertygade om att ett implantat har att placeras i bröstkorgen. Det finns analoga tekniker för att visualisera nervsystemet hos större djur som råttor. Vi fick inspiration från dessa lösningar och började fundera på miniatyriseringsfrågan."

De tidiga prototyperna försökte ta itu med utmaningen att säkert flytta och hålla flugans organ åt sidan för att avslöja den ventrala nervsträngen, samtidigt som flugan kunde överleva efter operationen.

"För den här utmaningen behöver du någon som kan närma sig ett problem med både biovetenskapliga och ingenjörsmässiga perspektiv – detta understryker vikten av Lauras [Hermans] och Murats [Kaynak] arbete", säger Sakar.

De tidiga implantaten var stela och väldigt få flugor överlevde proceduren. Att försöka förbättra överlevnaden utan att offra bildkvaliteten utgjorde en utmaning som tog flera designiterationer. I slutändan var vinnaren en enkel, men effektiv prototyp:ett V-format kompatibelt implantat som säkert kan flytta flugans organ åt sidan, avslöja buksträngen och tillåta forskarna att täta hålet på nagelbandet med en "streckkodad bröstkorg". fönster", som tillåter dem att observera den ventrala nervsträngen och göra mätningar av neuronaktiviteten medan flugan går i sitt dagliga liv.

"Med tanke på variationerna från djur till djur i anatomi var vi tvungna att hitta en säker och adaptiv lösning", säger Sakar. "Vårt implantat tillgodoser detta särskilda behov. Tillsammans med utvecklingen av lämpliga vävnadsmikromanipulationsverktyg och ett 3D-nanoprintat-kompatibelt stadium för montering av djur under upprepade bildbehandlingssessioner, tillhandahåller vi en komplett mångsidig verktygslåda för neurovetenskaplig forskning."

En öppen väg

Prestationen är ett exempel på den öppna och tvärvetenskapliga forskning som är typisk för EPFL. "Sedan dag ett har vi varit väldigt öppna med att dela tekniken", säger Sakar. "Tanken här är att snabbt sprida verktygen och metoderna så att vi kan underlätta både vidareutveckling av tekniken och upptäcktsprocessen som de erbjuder inom många forskningsområden. Ett antal grupper skulle vilja, tror jag, utforska vår teknik ."

"Genom att studera flugan tror vi att förståelse av något relativt enkelt kan lägga grunden för att förstå mer komplicerade organismer", säger Ramdya. "När du lär dig matematik, dyker du inte in i linjär algebra; du lär dig att lägga till och subtrahera först. Dessutom, för robotteknik, skulle det vara fantastiskt att förstå hur även en "enkel" insekt fungerar."

Nästa steg för teamet är att använda sin nya metod för att reda ut mekanismerna för Drosophila rörelsekontroll. "Biologiska system är verkligen unika jämfört med artificiella system genom att de dynamiskt kan modulera till exempel nervcellers excitabilitet eller styrkan hos synapser," tillägger Ramdya. "Så för att förstå vad som gör biologiska system så smidiga måste du kunna observera denna dynamik. I vårt fall skulle vi vilja titta på hur till exempel motoriska system reagerar under ett djurs livstid på åldrande eller under återhämtning efter skada."

Den aktuella studien publiceras i Nature Communications . + Utforska vidare

Ny teknik avslöjar lemkontroll hos flugor – och kanske robotar