Er was eens, niet zo lang geleden, dat wetenschappers als Casey Holliday scalpels, scharen en zelfs hun eigen handen nodig hadden om anatomisch onderzoek te doen. Maar nu, met recente technologische vooruitgang, gebruiken Holliday en zijn collega's van de Universiteit van Missouri kunstmatige intelligentie (AI) om in een dier of een persoon te kijken - tot op een enkele spiervezel - zonder ooit een snee te maken.

Holliday, universitair hoofddocent pathologie en anatomische wetenschappen, zei dat zijn laboratorium in de MU School of Medicine een van de weinige laboratoria ter wereld is die deze hightech-aanpak momenteel gebruiken.

AI kan computerprogramma's leren een spiervezel te identificeren in een afbeelding, zoals een CAT-scan. Vervolgens kunnen onderzoekers die gegevens gebruiken om gedetailleerde 3D-computermodellen van spieren te ontwikkelen om beter te begrijpen hoe ze samenwerken in het lichaam voor motorische controle, zei Holliday.

Holliday, samen met enkele van zijn huidige en voormalige studenten, deden dat onlangs toen ze de bijtkracht van een krokodil begonnen te bestuderen.

"Het unieke aan krokodillenkoppen is dat ze plat zijn, en de meeste dieren die geëvolueerd zijn om heel hard te bijten, zoals hyena's, leeuwen, T. rexen en zelfs mensen, hebben hele hoge schedels, omdat al die kaakspieren verticaal georiënteerd zijn." zei Holliday. "Ze zijn zo ontworpen dat ze een grote verticale bijtkracht geven aan alles wat ze eten. Maar de spieren van een krokodil zijn meer horizontaal georiënteerd."

De 3D-modellen van spierarchitectuur kunnen het team helpen bepalen hoe spieren in krokodillenkoppen zijn georiënteerd om hun bijtkracht te vergroten. Een van de voormalige studenten van Holliday, Kaleb Sellers, helpt deze inspanning te leiden, die nu een postdoctoraal onderzoeker is aan de Universiteit van Chicago.

"Kaakspieren zijn lang bestudeerd bij zoogdieren met de veronderstelling dat relatief eenvoudige beschrijvingen van spieranatomie je veel kunnen vertellen over de schedelfunctie," zei Sellers. "Deze studie laat zien hoe complex de anatomie van de kaakspier is in een reptielengroep."

Holliday's lab begon enkele jaren geleden voor het eerst te experimenteren met 3D-beeldvorming. Sommige van hun vroege bevindingen werden in 2019 gepubliceerd met een onderzoek in Integrative Organismal Biology die de ontwikkeling liet zien van een 3D-model van de skeletspieren bij een spreeuw.

Overgang naar een digitale wereld

Historisch gezien zei Holliday dat anatomisch onderzoek - en veel van wat hij opgroeide - het ontleedde van dieren met een scalpel of schaar, of wat hij een "analoge" benadering noemt. Hij maakte voor het eerst kennis met de voordelen van het gebruik van digitale beeldvorming om anatomie te bestuderen toen hij eind jaren negentig bij het "Sue the T. rex"-project kwam. Tot op heden is het nog steeds een van de grootste en best bewaarde Tyrannosaurus rex-exemplaren die ooit zijn ontdekt.

Holliday herinnert zich het moment waarop de gigantische schedel van de T. rex werd vervoerd naar het Santa Susana Field Laboratory van Boeing in Californië om te worden gefotografeerd in een van de enorme CAT-scanners van het ruimtevaartbedrijf die normaal worden gebruikt om straalmotoren in commerciële vliegtuigen te scannen.

"Destijds was het de enige CAT-scanner ter wereld die groot genoeg was om in een T. rex-schedel te passen, en had hij ook de kracht die nodig was om röntgenstralen door rotsen te duwen," zei Holliday. "Toen ik van de universiteit kwam, had ik overwogen radiologietechnicus te worden, maar met het Sue-project leerde ik alles over hoe ze dit ding door CAT scanden, en dat sprak me echt aan."

Tegenwoordig zei Holliday dat veel van zijn huidige en voormalige studenten aan MU anatomie leren begrijpen door gebruik te maken van de 'cutting edge' imaging- en modelleringsmethoden die hij en zijn collega's creëren. Een van die studenten is Emily Lessner, een recente MU-alumna die haar passie voor 'lang geleden gestorven dieren' ontwikkelde door in Holliday's lab te werken.

"Het digitaliseringsproces is niet alleen nuttig voor ons laboratorium en onderzoek," zei Lessner. "Het maakt ons werk deelbaar met andere onderzoekers om wetenschappelijke vooruitgang te helpen bespoedigen, en we kunnen ze ook delen met het publiek als educatieve en conserveringsmiddelen. Met name mijn werk, kijkend naar de zachte weefsels en benige correlaten bij deze dieren, heeft niet alleen honderden toekomstige vragen te beantwoorden, maar onthulde ook veel onbekenden. Op die manier heb ik niet alleen beeldvormingsvaardigheden opgedaan om te helpen met mijn toekomstige werk, maar heb ik nu meer dan een carrière aan wegen om te verkennen."

Holliday zei dat er ook plannen in de maak zijn om hun 3D-anatomische modellen een stap verder te brengen door te bestuderen hoe menselijke handen zijn geëvolueerd van hun evolutionaire voorouders. Het project, dat zich nog in de beginfase bevindt, ontving onlangs een subsidie ​​van de Leakey Foundation. Bij Holliday aan het project zullen twee van zijn collega's bij MU, Carol Ward, een curator Distinguished Professor van pathologie en anatomische wetenschappen, en Kevin Middleton, een universitair hoofddocent biologische wetenschappen, deelnemen.

Hoewel ongeveer 90% van het onderzoek dat in Holliday's laboratorium wordt gedaan, bestaat uit het bestuderen van dingen die in de moderne wereld bestaan, zei hij dat de gegevens die ze verzamelen ook het fossielenbestand kunnen informeren, zoals aanvullende kennis over hoe de T. rex bewoog en functioneerde.

"Met betere kennis van de werkelijke spieranatomie, kunnen we echt achterhalen hoe de T. rex echt fijne motorische controles zou kunnen doen, en meer genuanceerd gedrag, zoals bijtkracht en voedingsgedrag," zei Holliday. + Verder verkennen

Een betere alligator bouwen:onderzoekers ontwikkelen geavanceerde 3D-modellen van bijtgegevens