Cientistas da EPFL desenvolveram uma técnica de implantação que permite acesso óptico sem precedentes à "medula espinhal" da mosca da fruta, Drosophila melanogaster. Este trabalho pode potencialmente levar a avanços nos campos da neurociência, inteligência artificial e robótica bio-inspirada.
Compreender o controle motor biológico requer a capacidade de registrar a atividade neural enquanto os animais se comportam", diz o professor Pavan Ramdya da Escola de Ciências da Vida da EPFL. "Temos um bilhão de neurônios na medula espinhal humana - um sistema enorme - e não podemos manipular neurônios em um ser humano da mesma forma que podemos com animais. Drosophila, a mosca da fruta, é um organismo muito pequeno no qual se pode manipular geneticamente e visualizar a atividade de quase todo o circuito motor em animais que se comportam."

Durante anos, a pesquisa de Ramdya se concentrou em recapitular digitalmente os princípios subjacentes ao controle motor da Drosophila. Em 2019, seu grupo publicou o DeepFly3D, um software de captura de movimento baseado em aprendizado profundo que usa várias visualizações de câmera para quantificar os movimentos 3D dos membros de moscas em comportamento. Em 2021, a equipe de Ramdya revelou o LiftPose3D, um método para reconstruir poses 3D de animais a partir de imagens 2D tiradas de uma única câmera. Esses esforços foram complementados por sua publicação em 2022 de NeuroMechFly, um primeiro "gêmeo" digital morfologicamente preciso de Drosophila.

Mas sempre há mais desafios pela frente, especialmente nesse campo que está na interface entre biologia, neurociência, ciência da computação e robótica. O objetivo não é apenas mapear e entender o sistema nervoso de um organismo – uma tarefa ambiciosa em si mesma –, mas também descobrir como desenvolver robôs bio-inspirados que sejam tão ágeis quanto moscas.

"O obstáculo que tínhamos antes deste trabalho", diz Ramdya, "era que só podíamos gravar circuitos motores de moscas por um curto período de tempo antes que a saúde do animal se deteriorasse".

Portanto, Ramdya juntou-se ao professor Selman Sakar na Escola de Engenharia da EPFL para desenvolver ferramentas para monitorar a atividade neural da Drosophila por longos períodos de tempo, até toda a vida útil do inseto. Este projeto foi liderado por Laura Hermans, Ph.D. estudante que foi co-supervisionado por Ramdya e Sakar.

Uma janela para o cordão nervoso ventral

"Desenvolvemos dispositivos de microengenharia que fornecem acesso óptico ao cordão nervoso ventral do animal", diz Herman, referindo-se ao equivalente da medula espinhal da mosca. "Em seguida, implantamos cirurgicamente esses dispositivos no tórax da mosca", continua ela. "Um desses dispositivos, um implante, nos permite mover os órgãos da mosca para o lado para revelar o cordão nervoso ventral abaixo. Em seguida, selamos o tórax com uma janela microfabricada transparente. Assim que tivermos moscas com esses dispositivos, podemos registrar o comportamento da mosca bem como sua atividade neural em uma ampla gama de experimentos em longos períodos de tempo."

O objetivo por trás de todas essas ferramentas é permitir que os cientistas observem um animal individual por longos períodos de tempo. Eles agora podem realizar experimentos que se estendem além de apenas algumas horas e podem até cobrir toda a vida útil da mosca. "Por exemplo, podemos estudar como a biologia de um animal se adapta durante a progressão da doença", diz Hermans. "Também podemos estudar mudanças na atividade e estrutura do circuito neural durante o envelhecimento. O cordão nervoso ventral da mosca é ideal porque hospeda o circuito motor do animal, permitindo-nos estudar como a locomoção evolui ao longo do tempo ou após uma lesão".

O implante

"Como engenheiros, ansiamos por desafios técnicos tão bem definidos", diz Selman Sakar. "O grupo de Pavan desenvolveu uma técnica de dissecção para retirar da mosca os órgãos que bloqueiam o campo de visão e visualizar o cordão nervoso ventral. No entanto, as moscas só sobrevivem algumas horas após a cirurgia. para ser colocado dentro do tórax. Existem técnicas análogas para visualizar o sistema nervoso de animais maiores, como ratos. Nos inspiramos nessas soluções e começamos a pensar na questão da miniaturização."

Os primeiros protótipos tentaram enfrentar o desafio de mover com segurança e manter os órgãos da mosca de lado para descobrir o cordão nervoso ventral, permitindo que a mosca sobrevivesse após a cirurgia.

"Para este desafio, você precisa de alguém que possa abordar um problema com perspectivas de ciências da vida e engenharia - isso destaca a importância do trabalho de Laura [Hermans] e Murat [Kaynak]", diz Sakar.

Os primeiros implantes eram rígidos e poucas moscas sobreviveram ao procedimento. Tentar melhorar as taxas de sobrevivência sem sacrificar a qualidade da imagem representou um desafio que exigiu várias iterações de projeto. No final, o vencedor foi um protótipo simples, mas eficaz:um implante compatível em forma de V que pode mover com segurança os órgãos da mosca para o lado, descobrir o cordão ventral e permitir que os pesquisadores selem o orifício na cutícula com um "código de barras torácico". janela", o que lhes permite observar o cordão nervoso ventral e fazer medições da atividade neuronal enquanto a mosca vive sua vida diária.

“Considerando as variações anatômicas de animal para animal, tivemos que encontrar uma solução segura e adaptável”, diz Sakar. "Nosso implante atende a essa necessidade específica. Juntamente com o desenvolvimento de ferramentas adequadas de micromanipulação de tecidos e um estágio compatível com nanoimpressão 3D para montar animais durante sessões repetidas de imagens, fornecemos um kit de ferramentas completo e versátil para pesquisa em neurociência".

Uma estrada aberta

A conquista é um exemplo da pesquisa aberta e interdisciplinar típica da EPFL. "Desde o primeiro dia temos sido muito abertos em compartilhar a tecnologia", diz Sakar. "A ideia aqui é disseminar rapidamente as ferramentas e métodos para que possamos facilitar tanto o desenvolvimento da tecnologia quanto o processo de descoberta que eles oferecem em muitos domínios de pesquisa. Vários grupos gostariam de explorar nossa tecnologia ."

“Ao estudar a mosca, acreditamos que entender algo relativamente simples pode lançar as bases para a compreensão de organismos mais complicados”, diz Ramdya. "Quando você aprende matemática, você não mergulha na álgebra linear; você aprende a somar e subtrair primeiro. Além disso, para a robótica, seria fantástico entender como até mesmo um inseto "simples" funciona."

O próximo passo para a equipe é usar sua nova metodologia para desvendar os mecanismos de controle do movimento da Drosophila. “Os sistemas biológicos são realmente únicos em comparação com os sistemas artificiais, pois podem modular dinamicamente, por exemplo, a excitabilidade dos neurônios ou a força das sinapses”, acrescenta Ramdya. “Então, para entender o que torna os sistemas biológicos tão ágeis, você precisa ser capaz de observar esse dinamismo. recuperação após lesão."

O estudo atual está publicado em Nature Communications . + Explorar mais

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