Окно в нервную систему плодовой мушки
Ученые из EPFL разработали технику имплантации, которая обеспечивает беспрецедентный оптический доступ к «спинному мозгу» плодовой мушки Drosophila melanogaster. Эта работа может привести к прорывам в областях нейронаук, искусственного интеллекта и биоинспирированной робототехники.
Понимание биологического моторного контроля требует возможности регистрировать нейронную активность во время поведения животных. Drosophila — это очень маленький организм, в котором можно генетически манипулировать и визуализировать активность почти всей двигательной цепи у ведущих себя животных.
Исследовательская группа профессора Павана Рамдьи ранее разработала:
- DeepFly3D (2019) — ПО для захвата движения на основе глубокого обучения.
- LiftPose3D (2021) — метод реконструкции 3D-поз животных из 2D-изображений.
- NeuroMechFly (2022) — первый морфологически точный цифровой «двойник» Drosophila.
Проблема: до этой работы можно было записывать активность двигательных цепей мухи лишь короткое время до ухудшения здоровья животного.
Микроинженерное устройство для доступа к вентральному нервному тяжу
Профессор Рамдья объединился с профессором Сельманом Сакаром (EPFL), чтобы разработать инструменты для мониторинга нейронной активности Drosophila в течение длительных периодов, вплоть до всей жизни насекомого. Проект возглавила аспирантка Лаура Херманс.
Решение: Ученые создали микроинженерные устройства, обеспечивающие оптический доступ к вентральному нервному тяжу мухи (аналогу спинного мозга). Устройство имплантируется в грудную клетку мухи и позволяет:
- Отодвинуть органы в сторону, чтобы обнажить вентральный нервный тяж.
- Запечатать грудную клетку прозрачным микрофабрицированным «окном».
Это позволяет регистрировать поведение и нейронную активность мухи в широком диапазоне экспериментов на протяжении длительного времени, например:
- Изучать адаптацию биологии во время прогрессирования болезни.
- Наблюдать изменения в активности и структуре нейронных цепей при старении.
- Исследовать, как развивается локомоция со временем или после травмы.
Разработка импланта
Ранние прототипы имплантов были жесткими, и выживаемость мух была низкой. Эффективным решением стал простой, но эффективный прототип: V-образный гибкий имплант, который:
- Безопасно отодвигает органы мухи в сторону.
- Обнажает вентральный тяж.
- Позволяет запечатать отверстие в кутикуле «окном с штрих-кодом».
Это решение адаптируется к анатомическим вариациям между животными. Вместе с разработкой инструментов для микроманипуляции тканями и 3D-нанопечатной гибкой платформы для крепления животных во время повторяющихся сеансов визуализации, технология представляет собой полный набор инструментов для нейробиологических исследований.
Перспективы
Технология открыта для распространения среди научного сообщества. Следующий шаг команды — использовать новую методологию для изучения механизмов контроля движения Drosophila.
Ключевая цель: понять, как двигательные системы реагируют в течение жизни животного на старение или восстановление после травмы, наблюдая динамику биологических систем (например, модуляцию возбудимости нейронов или силы синапсов).
Исследование опубликовано в журнале Nature Communications.