Миниатюрные беговые дорожки ускоряют изучение ходьбы насекомых

Плодовые мушки, идущие по миниатюрным беговым дорожкам, помогают учёным понять, как нервная система позволяет животным двигаться в непредсказуемом и сложном мире.

Результаты использования этих дорожек размером с плодовую мушку были опубликованы 30 августа в журнале Current Biology. Ведущий автор — Брэндон Г. Пратт, недавний выпускник докторантуры по физиологии и биофизике Медицинской школы Вашингтонского университета в Сиэтле и стипендиат программы Национального научного фонда США для аспирантов.

Он сконструировал эти миниатюрные устройства из недорогих деталей на основе прототипа Макса Мауэра, выпускника факультета машиностроения Вашингтонского университета.

Пратт и его коллеги объясняют, что идущие животные, включая насекомых и людей, должны распознавать и быстро реагировать на неожиданные изменения под ногами. Без этой способности навигация в мире была бы почти невозможна, а риск падений и травм — высок.

Как нервная система обнаруживает эти неожиданные события и управляет телом для восстановления баланса во время движения? Этот вопрос исследуется в лаборатории Джона Татхилла на кафедре физиологии и биофизики Вашингтонского университета, где Пратт проводил свои докторские исследования. В проекте также участвовали коллеги по лаборатории Су-Йи Дж. Ли и Грант М. Чоу.

Лаборатория Татхилла изучает проприоцепцию: как тело постоянно ощущает своё положение и движение. Болезни, травмы и другие факторы могут нарушать способность людей и животных координировать своё тело и мешать простым задачам, таким как взять стакан воды или пройти пару шагов.

Исследование того, как проприоцепция контролирует тело при потере равновесия во время движения, является фундаментальной задачей для нейробиологов. Экспериментальные нарушения проприоцепции могут подавлять поведение животных и тем самым мешать изучению её роли в естественной активности, такой как ходьба.

Исторически беговые дорожки эффективно возобновляли желание животных ходить после воздействий на нервную систему. Они помогли получить представление о нейронном контроле ходьбы и бега как у беспозвоночных (тараканов, палочников), так и у позвоночных (грызунов, кошек, людей).

Раздельные беговые дорожки имеют два независимо движущихся полотна. Исследователи используют их для изучения адаптации координации между ногами, когда левая и правая стороны тела движутся с разной скоростью. Эти дорожки играют клиническую роль в оценке пациентов, перенёсших инсульт.

Оба типа систем вдохновили исследователей из лаборатории Татхилла на создание миниатюрных версий для изучения локомоции у плодовых мушек. Эти крошечные существа — хорошая модель для изучения нейронного контроля движения, поскольку у них компактная и полностью картированная нервная система. Кроме того, набор генетических инструментов позволяет учёным проводить точные и специфичные манипуляции с нервной системой мухи.

Линейная беговая дорожка в лаборатории Татхилла побуждает мух ходить и позволяет проводить долгосрочное 3D-отслеживание. Исследователи смогли проанализировать ходьбу на различных скоростях у мух с нарушенной и нормальной проприоцепцией.

На дорожке мухи ходили рывками: спринтом до передней части камеры, а затем возвращались назад на движущемся полотне. Они проводили примерно половину времени за ходьбой. Они ускорялись, когда ускорялось полотно. Как и у людей или тараканов, высота их тела увеличивалась при более быстрой ходьбе. Использование дорожки позволило зафиксировать самую высокую скорость ходьбы, когда-либо зарегистрированную у плодовых мушек.

«Они смогли превысить мгновенную скорость ходьбы в 50 миллиметров в секунду», — отметили исследователи.

Учёные также генетически «заглушили» нейроны, отвечающие за проприоцепцию, и запустили насекомых на линейной дорожке. Без этой сенсорной обратной связи мухи делали меньше шагов, но более крупных. Неожиданно координация их ног, казалось, не пострадала — возможно, потому, что другие проприоцептивные нейроны важнее для координации ходьбы, или нервная система могла компенсировать отсутствие обратной связи.

Учёные обнаружили, что раздельная дорожка мало повлияла на координацию между ногами. Однако мухи существенно изменили длину шага средних ног, когда два полотна двигались с разной скоростью. Исследователи предполагают, что мухи корректируют шаги, чтобы продолжать идти прямо при наличии вращательных возмущений.

«Средние ноги идеально расположены, чтобы стабильно поворачивать тело мухи вокруг её центра масс, как при гребле из центра лодки», — пояснили исследователи.

Учёные отметили, что «эти результаты показывают, как беговые дорожки заполняют важный пробел между свободной ходьбой и фиксированными установками для исследования нейронных и поведенческих механизмов локомоции мух».

Исследователи предоставили программное обеспечение и схемы аппаратного обеспечения этих миниатюрных беговых дорожек в качестве бесплатного открытого исходного кода для других учёных.