Bara för att ett djur är mjukt och squishy betyder det inte att det inte är tufft. Experiment vid Rice University visar att den ödmjuka hydraen är ett bra exempel.

Hydran verkar inte åldras - och dör tydligen aldrig av ålderdom. Om du skär en i två, du får hydrae. Och var och en kan äta djur dubbelt så stor.

Dessa odjur är överlevande, och det gör dem värda att studera, enligt Rice el- och datoringenjör Jacob Robinson.

Robinson och hans team har utvecklat metoder för att korralera de små, bläckfiskliknande hydrae och utföra den första omfattande karakteriseringen av relationerna mellan neural aktivitet och muskelrörelser i dessa varelser. Deras resultat visas i Royal Society of Chemistry journal Lab on a Chip.

Forskarna använde flera metoder för att avslöja de grundläggande neurala mönstren som driver sötvattenhydra vulgaris verksamhet:De immobiliserade djuren i smala, nålfyllda passager, tappade dem på arenor ungefär en tiondel av en krona och lät dem utforska vidöppna utrymmen. De förväntar sig att deras analys kommer att hjälpa dem att identifiera mönster som har bevarats av evolutionen i större hjärnarkitekturer.

Robinson är en neuroingenjör med expertis inom mikrofluidik, manipulation av vätskor och deras innehåll i små skalor. Hans laboratorium har utvecklat en rad chipbaserade system som låter forskare styra rörelser och till och med avlägsna biologiska system-celler och små djur-för att studera dem på nära håll och under långa tidsperioder.

Labbet har studerat allt ovan med sin sed, mikrofluidiksystem med hög genomströmning, med maskar som representerar "djur" -delen.

Men hydrae, som toppar ungefär en halv centimeter lång, finns i olika storlekar och ändra sina former efter behag. Det gav ingenjörerna särskilda utmaningar.

"C. elegans (rundmask) och hydrae har likheter, "Robinson sa." De är små och transparenta och har relativt få neuroner, och det gör det lättare att observera aktiviteten hos varje hjärncell samtidigt.

"Men det finns enorma biologiska skillnader, "sa han." Masken har exakt 302 neuroner, och vi vet exakt hur det är trådbundet. Hydrae kan växa och krympa. De kan skäras i bitar och bilda nya djur, så antalet neuroner inuti kan förändras med faktorer på 10.

"Det betyder att det finns en grundläggande skillnad i djurens neurobiologi:Där masken måste ha en exakt krets, hydraen kan ha valfritt antal kretsar, omorganisera på olika sätt och ändå utföra relativt liknande beteenden. Det gör dem riktigt roliga att studera. "

Mikrofluidikplattformen lät labbet avskilja en enda hydra i upp till 10 timmar för att studera neurologisk aktivitet under distinkta beteenden som kroppskolonn och tentakelsammandragning, böjning och translokation. Några av hydraerna var vilda, medan andra modifierades för att uttrycka fluorescerande eller andra proteiner. För det bästa sättet att karakterisera en hydra är att titta på den i ungefär en vecka, labbet bygger en kameraladdad uppsättning mikrofluidiska chips för att producera time-lapse-filmer med upp till 100 djur samtidigt.

"Om du tittar på dem med blotta ögat, de bara sitter där, "Robinson sa." De är lite tråkiga. Men om du påskyndar saker med time-lapse-avbildning, de utför alla möjliga intressanta beteenden. De provar sin miljö; de rör sig fram och tillbaka. "

Elektrofysiologiska tester möjliggjordes av laboratoriets utveckling av Nano-SPEAR, mikroskopiska sonder som mäter elektrisk aktivitet i de individuella cellerna hos små djur. Nålarna sträcker sig från mitten av den timglasformade fångningsanordningen och tränger in i en hydras celler utan att göra permanent skada på djuret.

Nano-SPEARS verkar inte mäta aktiviteten hos neuroner inuti djuret, så forskarna använde kalciumkänsliga proteiner för att utlösa fluorescerande signaler i hydras celler och producerade tidsförflutna filmer där neuroner lyser upp när de dras ihop. "Vi använder kalcium som en proxy för elektrisk aktivitet inne i cellen, "Sade Robinson." När en cell blir aktiv, den elektriska potentialen över dess membran förändras. Jonkanaler öppnas och låter kalciumet komma in. "Med detta tillvägagångssätt, labbet kunde identifiera mönstren för neural aktivitet som drev muskelsammandragningar.

"Kalciumbildning ger oss rumslig upplösning, så jag vet var cellerna är aktiva, "sa han." Det är viktigt att förstå hur hjärnan i denna organism fungerar. "

Manipulering av hydrae är en förvärvad skicklighet, enligt doktorand och huvudförfattare Krishna Badhiwala. "Om du hanterar dem med pipetter, de är riktigt lätta, men de håller i stort sett vad som helst, " Hon sa.

"Det är lite svårt att stoppa dem i mikrofluidik eftersom de egentligen bara är en tvåcellstjock tjock kropp, "Sa Badhiwala." Du kan tänka dig att de lätt strimlas. Vi kom så småningom till den punkt där vi är riktigt bra på att sätta in dem utan att skada dem för mycket. Det kräver bara lite fingerfärdighet och stabilitet. "

Med detta och framtida studier, laget hoppas kunna koppla ihop neural aktivitet och muskelrespons för att lära sig om liknande kopplingar i andra medlemmar av djurriket.

"C. elegans, drosophila (fruktflugor), råttor, möss och människor är bilaterier, "Robinson sa." Vi har alla bilateral symmetri. Det betyder att vi delade en gemensam förfader, för hundratals miljoner år sedan. Hydrae tillhör en annan grupp av djur som kallas cnidarians, som är radiellt symmetriska. Det här är saker som maneter, och de har en mer avlägsen förfader.

"Men hydrae och människor delade en gemensam förfader som vi tror var det första djuret som hade neuroner, "sa han." Från denna förfader kom alla nervsystem som vi ser idag.

"Genom att titta på organismer i olika delar av det fylogenetiska trädet, vi kan tänka på vad som är gemensamt för alla djur med nervsystem. Varför har vi ett nervsystem? Vad är det bra för? Vad är det som en hydra kan göra som maskar och människor också kan göra? Vad kan de inte göra?

"Den här typen av frågor hjälper oss att förstå hur vi har utvecklat nervsystemet vi har, "Sa Robinson.

Medförfattare är Rice-doktorander Daniel Gonzales och Benjamin Avants och alumnen Daniel Vercosa, nu ingenjör vid Intel Corp. Robinson är biträdande professor i el- och datorteknik.