Alleen omdat een dier zacht en squishy is, wil nog niet zeggen dat het niet hard is. Experimenten aan de Rice University laten zien dat de nederige hydra een goed voorbeeld is.

De hydra lijkt niet oud te worden - en sterft blijkbaar nooit van ouderdom. Als je een in twee snijdt, je krijgt vocht. En elk kan dieren eten die twee keer zo groot zijn.

Deze beesten zijn overlevenden, en dat maakt ze het bestuderen waard, volgens Rice elektro- en computeringenieur Jacob Robinson.

Robinson en zijn team hebben methoden ontwikkeld om de kleine, inktvisachtige hydrae en voeren de eerste uitgebreide karakterisering uit van relaties tussen neurale activiteit en spierbewegingen bij deze wezens. Hun resultaten verschijnen in het tijdschrift Lab on a Chip van de Royal Society of Chemistry.

De onderzoekers gebruikten verschillende methoden om de basale neurale patronen te onthullen die de activiteiten van zoetwaterhydra vulgaris aansturen:ze immobiliseerden de dieren in nauwe, met naalden beladen passages, liet ze in arena's van ongeveer een tiende van een dubbeltje vallen en liet ze wijd open ruimtes verkennen. Ze verwachten dat hun analyse hen zal helpen patronen te identificeren die door evolutie zijn behouden in grotere hersenarchitecturen.

Robinson is een neuro-ingenieur met expertise in microfluïdica, de manipulatie van vloeistoffen en hun inhoud op kleine schaal. Zijn laboratorium heeft een reeks op chips gebaseerde systemen ontwikkeld waarmee wetenschappers bewegingen kunnen controleren en zelfs biologische systemen - cellen en kleine dieren - kunnen sekwestreren om ze van dichtbij en gedurende lange perioden te bestuderen.

Het lab heeft al het bovenstaande bestudeerd met zijn gewoonte, high-throughput microfluïdische systemen, met wormen die het "dierlijke" deel vertegenwoordigen.

Maar hydrae, die ongeveer een halve centimeter lang zijn, zijn er in verschillende maten en veranderen naar believen van vorm. Dat stelde de ingenieurs voor bijzondere uitdagingen.

"C. elegans (rondwormen) en hydrae hebben overeenkomsten, Robinson zei. "Ze zijn klein en transparant en hebben relatief weinig neuronen, en dat maakt het gemakkelijker om de activiteit van elke hersencel tegelijkertijd te observeren.

"Maar er zijn enorme biologische verschillen, " zei hij. "De worm heeft precies 302 neuronen, en we weten precies hoe het zit. Hydrae kan groeien en krimpen. Ze kunnen in stukjes worden gesneden en nieuwe dieren vormen, dus het aantal neuronen binnenin kan met een factor 10 veranderen.

"Dat betekent dat er een fundamenteel verschil is in de neurobiologie van de dieren:waar de worm een ​​exact circuit moet hebben, de hydrae kan een willekeurig aantal circuits hebben, op verschillende manieren reorganiseren en toch relatief gelijkaardig gedrag vertonen. Dat maakt ze heel leuk om te studeren."

Dankzij het microfluïdische platform kan het laboratorium een ​​enkele hydra tot 10 uur lang vasthouden om neurologische activiteit te bestuderen tijdens verschillende gedragingen zoals lichaamskolom en samentrekking van de tentakel, buigen en translocatie. Sommige hydrae waren wild, terwijl andere werden gemodificeerd om fluorescerende of andere eiwitten tot expressie te brengen. Omdat de beste manier om een ​​hydra te karakteriseren is door er ongeveer een week naar te kijken, het lab bouwt een camera-beladen reeks microfluïdische chips om time-lapse-films van maximaal 100 dieren tegelijk te produceren.

"Als je ze met het blote oog bekijkt, ze zitten daar maar, "Zei Robinson. "Ze zijn nogal saai. Maar als je dingen versnelt met time-lapse-beeldvorming, ze vertonen allerlei interessant gedrag. Ze bemonsteren hun omgeving; ze gaan heen en weer."

Elektrofysiologische tests werden mogelijk gemaakt door de ontwikkeling van Nano-SPEAR's in het laboratorium, microscopisch kleine sondes die elektrische activiteit in de individuele cellen van kleine dieren meten. De naalden steken uit het midden van het zandlopervormige vangapparaat en dringen de cellen van een hydra binnen zonder blijvende schade aan het dier toe te brengen.

Nano-SPEARS lijken de activiteit van neuronen in het dier niet te meten, dus gebruikten de onderzoekers calciumgevoelige eiwitten om fluorescerende signalen in de hydra-cellen te activeren en produceerden ze time-lapse-films waarin neuronen oplichtten terwijl ze samentrokken. "We gebruiken calcium als een proxy voor elektrische activiteit in de cel, Robinson zei. "Als een cel actief wordt, de elektrische potentiaal over het membraan verandert. Ionenkanalen gaan open en laten het calcium binnenkomen." Met deze aanpak, het lab kon de patronen van neurale activiteit identificeren die spiercontracties veroorzaakten.

"Calciumbeeldvorming geeft ons ruimtelijke resolutie, zodat ik weet waar cellen actief zijn, " zei hij. "Dat is belangrijk om te begrijpen hoe de hersenen van dit organisme werken."

Het manipuleren van hydrae is een verworven vaardigheid, volgens afgestudeerde student en hoofdauteur Krishna Badhiwala. "Als je ze met pipetten behandelt, ze zijn heel gemakkelijk, maar ze houden zich aan vrijwel alles, " ze zei.

"Het is een beetje moeilijk om ze in microfluïdica te stoppen, omdat ze eigenlijk gewoon een lichaam met twee cellen zijn dat dik is, ' zei Badhiwala. 'Je kunt je voorstellen dat ze gemakkelijk versnipperd kunnen worden. Uiteindelijk kwamen we op het punt dat we ze heel goed konden inbrengen zonder ze al te veel te beschadigen. Het vereist alleen wat behendigheid en standvastigheid."

Met deze en toekomstige studies, het team hoopt neurale activiteit en spierrespons te verbinden om meer te weten te komen over vergelijkbare verbindingen in andere leden van het dierenrijk.

"C. elegans, drosophila (fruitvliegjes), ratten, muizen en mensen zijn bilateralen, "Zei Robinson. "We hebben allemaal bilaterale symmetrie. Dat betekent dat we een gemeenschappelijke voorouder deelden, honderden miljoenen jaren geleden. Hydrae behoren tot een andere groep dieren die neteldieren worden genoemd, die radiaal symmetrisch zijn. Dit zijn dingen zoals kwallen, en ze hebben een meer verre voorouder.

"Maar hydrae en mensen deelden een gemeenschappelijke voorouder waarvan we denken dat het het eerste dier was dat neuronen had, " zei hij. "Van deze voorouder kwamen alle zenuwstelsels die we vandaag zien.

"Door te kijken naar organismen in verschillende delen van de fylogenetische boom, we kunnen nadenken over wat alle dieren met zenuwstelsel gemeen hebben. Waarom hebben we een zenuwstelsel? Waar is het goed voor? Wat zijn de dingen die een hydra kan doen die wormen en mensen ook kunnen doen? Wat zijn de dingen die ze niet kunnen?

"Dit soort vragen zullen ons helpen begrijpen hoe we het zenuwstelsel hebben ontwikkeld dat we hebben, ' zei Robinson.

Co-auteurs zijn Rice afgestudeerde studenten Daniel Gonzales en Benjamin Avants en alumnus Daniel Vercosa, nu een ingenieur bij Intel Corp. Robinson is een assistent-professor in elektrische en computertechniek.