Det fanns en gång, för inte så länge sedan, då forskare som Casey Holliday behövde skalpeller, saxar och till och med sina egna händer för att bedriva anatomisk forskning. Men nu, med de senaste tekniska framstegen, använder Holliday och hans kollegor vid University of Missouri artificiell intelligens (AI) för att se inuti ett djur eller en person – ner till en enda muskelfiber – utan att någonsin skära.

Holliday, en docent i patologi och anatomiska vetenskaper, sa att hans labb vid MU School of Medicine är ett av endast en handfull labb i världen som för närvarande använder denna högteknologiska metod.

AI kan lära datorprogram att identifiera en muskelfiber i en bild, till exempel en CAT-skanning. Sedan kan forskare använda dessa data för att utveckla detaljerade 3D-datormodeller av muskler för att bättre förstå hur de samverkar i kroppen för motorisk kontroll, sa Holliday.

Holliday, tillsammans med några av sina nuvarande och tidigare elever, gjorde det nyligen när de började studera en krokodils bitkraft.

"Det unika med krokodilhuvuden är att de är platta, och de flesta djur som har utvecklats för att bita riktigt hårt, som hyenor, lejon, T. rexes och till och med människor har riktigt höga skallar, eftersom alla dessa käkmuskler är vertikalt orienterade." sa Holliday. "De är designade på det sättet så att de lägger en stor vertikal bitkraft i vad de än äter. Men en krokodils muskler är orienterade mer horisontellt."

3D-modellerna av muskelarkitektur kan hjälpa teamet att avgöra hur musklerna är orienterade i krokodilhuvuden för att öka deras bettkraft. En av Hollidays tidigare studenter, Kaleb Sellers, som nu är postdoktor vid University of Chicago, hjälper till att leda detta arbete.

"Käkmuskler har länge studerats hos däggdjur med antagandet att relativt enkla beskrivare av muskelanatomi kan berätta mycket om skallens funktion," sa Sellers. "Denna studie visar hur komplex käkmuskelanatomin är i en reptilgrupp."

Hollidays labb började experimentera med 3D-bilder för flera år sedan. Några av deras tidiga fynd publicerades 2019 med en studie i Integrative Organismal Biology som visade utvecklingen av en 3D-modell av skelettmusklerna hos en europeisk stare.

Övergång till en digital värld

Historiskt har Holliday sagt att anatomisk forskning – och mycket av det han gjorde när han växte upp – involverade att dissekera djur med en skalpell eller sax, eller vad han kallar en "analog" metod. Han introducerades först för fördelarna med att använda digital bildbehandling för att studera anatomi när han gick med i projektet "Sue the T. rex" i slutet av 1990-talet. Hittills är det fortfarande ett av de största och mest välbevarade Tyrannosaurus rex-exemplaren som någonsin upptäckts.

Holliday minns ögonblicket när T. rex jätteskalle transporterades till Boeings Santa Susana Field Laboratory i Kalifornien för att avbildas i en av flygbolagets massiva CAT-skannrar som normalt används för att skanna jetmotorer på kommersiella flygplan.

"Vid den tiden var det den enda CAT-skannern i världen som var tillräckligt stor för att passa en T. rex-skalle, och hade också den kraft som behövdes för att driva röntgenstrålar genom stenar," sa Holliday. "När jag kom från college hade jag funderat på att bli röntgentekniker, men med Sue-projektet lärde jag mig allt om hur de CAT skannade den här saken, och det fick mig verkligen att tänka på."

Nuförtiden sa Holliday att många av hans nuvarande och tidigare studenter vid MU lär sig att förstå anatomi genom att använda de "spetsade" avbildnings- och modelleringsmetoderna som han och hans kollegor skapar. En av dessa studenter är Emily Lessner, en nyutbildad MU-alumn som utvecklade sin passion för "långt döda djur" genom att arbeta i Hollidays labb.

"Digitaliseringsprocessen är inte bara användbar för vårt labb och forskning," sa Lessner. "Det gör vårt arbete delbart med andra forskare för att påskynda vetenskapliga framsteg, och vi kan också dela dem med allmänheten som utbildnings- och bevarandeverktyg. Närmare bestämt har mitt arbete med att titta på mjukvävnader och benkorrelat hos dessa djur inte bara skapat hundratals av framtida frågor att besvara, men avslöjade också många okända saker. På det sättet fick jag inte bara bildteknik för att hjälpa till med mitt framtida arbete, utan jag har nu mer än en karriär av vägar att utforska."

Holliday sa att det också finns planer på att ta deras 3D-anatomiska modeller ett steg längre genom att studera hur mänskliga händer har utvecklats från sina evolutionära förfäder. Projektet, som fortfarande är i ett tidigt skede, fick nyligen ett bidrag från Leakey Foundation. Med Holliday i projektet kommer två av hans kollegor vid MU, Carol Ward, en Curators Distinguished Professor i patologi och anatomiska vetenskaper, och Kevin Middleton, en docent i biologiska vetenskaper.

Medan omkring 90 % av forskningen som görs i Hollidays labb handlar om att studera saker som finns i den moderna världen, sa han att data de samlar in också kan informera fossilregistret, som ytterligare kunskap om hur T. rex rörde sig och fungerade.

"Med bättre kunskap om verklig muskelanatomi kan vi verkligen ta reda på hur T. rex verkligen kunde göra finmotoriska kontroller och mer nyanserade beteenden, såsom bitkraft och matningsbeteende," sa Holliday. + Utforska vidare

Bygga en bättre alligator:Forskare utvecklar avancerade 3D-modeller av bitdata