Wetenschappers van EPFL hebben een implantatietechniek ontwikkeld die ongekende optische toegang tot het "ruggenmerg" van de fruitvlieg, Drosophila melanogaster, mogelijk maakt. Dit werk kan mogelijk leiden tot doorbraken op het gebied van neurowetenschappen, kunstmatige intelligentie en bio-geïnspireerde robotica.

Om biologische motorische controle te begrijpen, is het nodig om neurale activiteit te registreren terwijl dieren zich gedragen", zegt professor Pavan Ramdya van EPFL's School of Life Sciences. "We hebben een miljard neuronen in het menselijk ruggenmerg - een enorm systeem - en we kunnen niet manipuleren neuronen in een mens zoals we dat bij dieren kunnen. Drosophila, de fruitvlieg, is een heel klein organisme waarin men de activiteit van bijna het gehele motorische circuit van zich gedragende dieren genetisch kan manipuleren en in beeld kan brengen."

Jarenlang heeft Ramdya's onderzoek zich gericht op het digitaal recapituleren van de principes die ten grondslag liggen aan de motorische controle van Drosophila. In 2019 publiceerde zijn groep DeepFly3D, een op diep leren gebaseerde motion-capture-software die meerdere cameraweergaven gebruikt om de 3D-bewegingen van ledematen van gedragen vliegen te kwantificeren. In 2021 onthulde het team van Ramdya LiftPose3D, een methode voor het reconstrueren van 3D-dierhoudingen uit 2D-beelden die met een enkele camera zijn gemaakt. Deze inspanningen werden aangevuld met zijn publicatie in 2022 van NeuroMechFly, een eerste morfologisch nauwkeurige digitale "tweeling" van Drosophila.

Maar er liggen altijd meer uitdagingen in het verschiet, vooral op dit gebied dat op het raakvlak ligt tussen biologie, neurowetenschappen, informatica en robotica. Het doel is niet alleen om het zenuwstelsel van een organisme in kaart te brengen en te begrijpen - een ambitieuze taak op zich - maar ook om te ontdekken hoe bio-geïnspireerde robots kunnen worden ontwikkeld die zo wendbaar zijn als vliegen.

"Het obstakel dat we vóór dit werk hadden", zegt Ramdya, "was dat we slechts korte tijd vliegmotorcircuits konden opnemen voordat de gezondheid van het dier verslechterde."

Daarom werkte Ramdya samen met professor Selman Sakar van EPFL's School of Engineering om hulpmiddelen te ontwikkelen voor het bewaken van de neurale activiteit van Drosophila voor langere tijd, tot aan de gehele levensduur van het insect. Dit project werd geleid door Laura Hermans, een Ph.D. student onder co-supervisie van zowel Ramdya als Sakar.

Een venster in het ventrale zenuwkoord

"We hebben micro-engineered apparaten ontwikkeld die optische toegang bieden tot het ventrale zenuwkoord van het dier", zegt Herman, verwijzend naar het vliegequivalent van het ruggenmerg. "We hebben deze apparaten vervolgens operatief in de thorax van de vlieg geïmplanteerd", vervolgt ze. "Een van deze apparaten, een implantaat, stelt ons in staat om de organen van de vlieg opzij te bewegen om het ventrale zenuwkoord eronder te onthullen. Vervolgens verzegelen we de thorax met een transparant microgefabriceerd venster. Zodra we vliegen met deze apparaten hebben, kunnen we het gedrag van de vlieg registreren evenals de neurale activiteit ervan over een breed scala aan experimenten gedurende lange tijdspannes."

Het doel van al deze hulpmiddelen is om wetenschappers in staat te stellen een individueel dier gedurende lange perioden te observeren. Ze kunnen nu experimenten uitvoeren die langer duren dan een paar uur en zelfs de hele levensduur van de vlieg beslaan. "We kunnen bijvoorbeeld bestuderen hoe de biologie van een dier zich aanpast tijdens ziekteprogressie", zegt Hermans. "We kunnen ook veranderingen in de activiteit en structuur van het neurale circuit bestuderen tijdens het ouder worden. Het ventrale zenuwkoord van de vlieg is ideaal omdat het de motorcircuits van het dier herbergt, waardoor we kunnen bestuderen hoe voortbeweging evolueert in de tijd of na een verwonding."

Het implantaat

"Als ingenieurs snakken we naar zulke goed gedefinieerde technische uitdagingen", zegt Selman Sakar. "Pavan's groep heeft een dissectietechniek ontwikkeld om de organen van de vlieg te verwijderen die het gezichtsveld blokkeren en het ventrale zenuwkoord zichtbaar te maken. De vliegen kunnen echter maar een paar uur na de operatie overleven. We waren ervan overtuigd dat een implantaat om in de thorax te worden geplaatst. Er zijn analoge technieken om het zenuwstelsel van grotere dieren zoals ratten te visualiseren. We haalden inspiratie uit deze oplossingen en begonnen na te denken over het miniaturiseringsprobleem."

De vroege prototypes probeerden de uitdaging aan te gaan om de organen van de vlieg veilig te verplaatsen en opzij te houden om het ventrale zenuwkoord bloot te leggen, terwijl de vlieg na de operatie kon overleven.

"Voor deze uitdaging heb je iemand nodig die een probleem kan benaderen vanuit zowel een biowetenschappelijk als een technisch perspectief - dit benadrukt het belang van het werk van Laura [Hermans] en Murat [Kaynak]", zegt Sakar.

De vroege implantaten waren stijf en zeer weinig vliegen overleefden de procedure. Proberen om de overlevingskansen te verbeteren zonder de beeldkwaliteit op te offeren, vormde een uitdaging die verschillende ontwerpiteraties vergde. Uiteindelijk was de winnaar een eenvoudig, maar effectief prototype:een V-vormig meegevend implantaat dat de organen van de vlieg veilig opzij kan bewegen, het ventrale koord kan blootleggen en de onderzoekers in staat stelt het gat op de cuticula af te dichten met een "gestreepte thoracale window", waardoor ze het ventrale zenuwkoord kunnen observeren en de neuronale activiteit kunnen meten terwijl de vlieg zijn dagelijkse leven doormaakt.

"Gezien de variaties van dier tot dier in de anatomie, moesten we een veilige en adaptieve oplossing vinden", zegt Sakar. "Ons implantaat beantwoordt aan deze specifieke behoefte. Samen met de ontwikkeling van de juiste instrumenten voor weefselmicromanipulatie en een 3D-nanoprint-compatibel podium voor het monteren van dieren tijdens herhaalde beeldvormingssessies, bieden we een complete veelzijdige toolkit voor neurowetenschappelijk onderzoek."

Een open weg

De prestatie is een voorbeeld van het open en interdisciplinaire onderzoek dat typisch is voor EPFL. "Sinds dag één zijn we heel open geweest met het delen van de technologie", zegt Sakar. "Het idee hier is om de tools en methoden snel te verspreiden, zodat we zowel de verdere ontwikkeling van de technologie als het ontdekkingsproces dat ze bieden in veel onderzoeksdomeinen kunnen faciliteren. Een aantal groepen zou, denk ik, onze technologie willen verkennen ."

"Door de vlieg te bestuderen, geloven we dat het begrijpen van iets relatief eenvoudigs de basis kan leggen voor het begrijpen van meer gecompliceerde organismen", zegt Ramdya. "Als je wiskunde leert, duik je niet in lineaire algebra; je leert eerst optellen en aftrekken. Bovendien zou het voor robotica fantastisch zijn om te begrijpen hoe zelfs een 'eenvoudig' insect werkt."

De volgende stap voor het team is om hun nieuwe methodologie te gebruiken om de mechanismen van bewegingscontrole van Drosophila te ontrafelen. "Biologische systemen zijn echt uniek in vergelijking met kunstmatige systemen omdat ze dynamisch kunnen moduleren, bijvoorbeeld de prikkelbaarheid van neuronen of de kracht van synapsen", voegt Ramdya toe. "Dus om te begrijpen wat biologische systemen zo wendbaar maakt, moet je deze dynamiek kunnen waarnemen. In ons geval willen we kijken hoe bijvoorbeeld motorsystemen gedurende het leven van een dier reageren op veroudering of tijdens herstel na een blessure."

De huidige studie is gepubliceerd in Nature Communications . + Verder verkennen

Nieuwe techniek onthult ledematencontrole bij vliegen - en misschien robots