Gli scienziati dell'EPFL hanno sviluppato una tecnica di impianto che consente un accesso ottico senza precedenti al "midollo spinale" del moscerino della frutta, la Drosophila melanogaster. Questo lavoro può potenzialmente portare a scoperte nei campi della neuroscienza, dell'intelligenza artificiale e della robotica bio-ispirata.

Comprendere il controllo motorio biologico richiede la capacità di registrare l'attività neurale mentre gli animali si comportano", afferma il professor Pavan Ramdya della School of Life Sciences dell'EPFL. "Abbiamo un miliardo di neuroni nel midollo spinale umano, un sistema enorme, e non possiamo manipolare neuroni in un essere umano come possiamo fare con gli animali. La drosofila, il moscerino della frutta, è un organismo molto piccolo in cui si può manipolare geneticamente e immaginare l'attività di quasi l'intero circuito motorio negli animali che si comportano."

Per anni, la ricerca di Ramdya si è concentrata sulla ricapitolazione digitale dei principi alla base del controllo motorio della Drosophila. Nel 2019, il suo gruppo ha pubblicato DeepFly3D, un software di acquisizione del movimento basato sull'apprendimento profondo che utilizza più visualizzazioni di telecamere per quantificare i movimenti 3D degli arti delle mosche che si comportano. Nel 2021, il team di Ramdya ha rivelato LiftPose3D, un metodo per ricostruire pose di animali 3D da immagini 2D riprese da una singola fotocamera. Questi sforzi sono stati integrati dalla sua pubblicazione nel 2022 di NeuroMechFly, un primo "gemello" digitale morfologicamente accurato della Drosophila.

Ma ci sono sempre più sfide da affrontare, specialmente in questo campo che si trova all'interfaccia tra biologia, neuroscienza, informatica e robotica. L'obiettivo non è solo mappare e comprendere il sistema nervoso di un organismo, un compito ambizioso in sé e per sé, ma anche scoprire come sviluppare robot bio-ispirati che siano agili come mosche.

"L'ostacolo che avevamo prima di questo lavoro", afferma Ramdya, "era che potevamo registrare i circuiti motori delle mosche solo per un breve periodo di tempo prima che la salute dell'animale peggiorasse".

Pertanto, Ramdya ha collaborato con il professor Selman Sakar presso la School of Engineering dell'EPFL per sviluppare strumenti per il monitoraggio dell'attività neurale della Drosophila per periodi di tempo più lunghi, fino all'intera durata della vita dell'insetto. Questo progetto è stato guidato da Laura Hermans, Ph.D. studente che è stato co-supervisionato da Ramdya e Sakar.

Una finestra nel cordone nervoso ventrale

"Abbiamo sviluppato dispositivi microingegnerizzati che forniscono l'accesso ottico al midollo nervoso ventrale dell'animale", afferma Herman, riferendosi all'equivalente del midollo spinale della mosca. "Abbiamo quindi impiantato chirurgicamente questi dispositivi nel torace della mosca", continua. "Uno di questi dispositivi, un impianto, ci consente di spostare gli organi della mosca da parte per rivelare il cordone nervoso ventrale sottostante. Quindi sigilliamo il torace con una finestra microfabbricata trasparente. Una volta che abbiamo mosche con questi dispositivi, possiamo registrare il comportamento della mosca così come la sua attività neurale in un'ampia gamma di esperimenti su lunghi periodi di tempo."

Lo scopo alla base di tutti questi strumenti è consentire agli scienziati di osservare un singolo animale per lunghi periodi di tempo. Ora possono eseguire esperimenti che si estendono oltre poche ore e possono persino coprire l'intera durata della vita della mosca. "Ad esempio, possiamo studiare come la biologia di un animale si adatta durante la progressione della malattia", afferma Hermans. "Possiamo anche studiare i cambiamenti nell'attività e nella struttura del circuito neurale durante l'invecchiamento. Il cordone nervoso ventrale della mosca è l'ideale perché ospita i circuiti motori dell'animale, permettendoci di studiare come si evolve la locomozione nel tempo o dopo un infortunio".

L'impianto

"Come ingegneri, desideriamo ardentemente sfide tecniche così ben definite", afferma Selman Sakar. "Il gruppo di Pavan ha sviluppato una tecnica di dissezione per rimuovere dalla mosca gli organi che bloccano il campo visivo e visualizzare il cordone nervoso ventrale. Tuttavia, le mosche possono sopravvivere solo per poche ore dopo l'intervento chirurgico. Eravamo convinti che un impianto avesse da posizionare all'interno del torace. Esistono tecniche analoghe per visualizzare il sistema nervoso di animali più grandi come i ratti. Abbiamo preso ispirazione da queste soluzioni e abbiamo iniziato a pensare al problema della miniaturizzazione."

I primi prototipi hanno cercato di affrontare la sfida di muoversi in sicurezza e tenere da parte gli organi della mosca per scoprire il cordone nervoso ventrale, consentendo alla mosca di sopravvivere dopo l'intervento chirurgico.

"Per questa sfida hai bisogno di qualcuno in grado di affrontare un problema sia con le scienze della vita che con le prospettive ingegneristiche:questo evidenzia l'importanza del lavoro di Laura [Hermans] e Murat [Kaynak]", afferma Sakar.

I primi impianti erano rigidi e pochissime mosche sono sopravvissute alla procedura. Cercare di migliorare i tassi di sopravvivenza senza sacrificare la qualità dell'immagine ha rappresentato una sfida che ha richiesto diverse iterazioni di progettazione. Alla fine, il vincitore è stato un prototipo semplice ma efficace:un impianto conforme a forma di V in grado di spostare in sicurezza gli organi della mosca, scoprire il cordone ventrale e consentire ai ricercatori di sigillare il foro sulla cuticola con un "codice toracico finestra", che consente loro di osservare il cordone nervoso ventrale e di effettuare misurazioni dell'attività neuronale mentre la mosca svolge la sua vita quotidiana.

"Considerando le variazioni anatomiche da animale ad animale, dovevamo trovare una soluzione sicura e adattabile", afferma Sakar. "Il nostro impianto risponde a questa particolare esigenza. Insieme allo sviluppo di strumenti di micromanipolazione dei tessuti adeguati e uno stadio conforme alla nanostampa 3D per il montaggio di animali durante sessioni di imaging ripetute, forniamo un kit di strumenti completo e versatile per la ricerca neuroscientifica".

Una strada aperta

Il risultato è un esempio della ricerca aperta e interdisciplinare tipica dell'EPFL. "Sin dal primo giorno siamo stati molto aperti alla condivisione della tecnologia", afferma Sakar. "L'idea qui è quella di diffondere rapidamente gli strumenti e i metodi in modo da poter facilitare sia l'ulteriore sviluppo della tecnologia che il processo di scoperta che offrono in molti domini di ricerca. Un certo numero di gruppi vorrebbe, credo, esplorare la nostra tecnologia ."

"Studiando la mosca, crediamo che la comprensione di qualcosa di relativamente semplice possa gettare le basi per la comprensione di organismi più complicati", afferma Ramdya. "Quando impari la matematica, non ti immergi nell'algebra lineare; impari prima ad aggiungere e sottrarre. Inoltre, per la robotica, sarebbe fantastico capire come funziona anche un "semplice" insetto."

Il prossimo passo per il team è utilizzare la loro nuova metodologia per svelare i meccanismi di controllo del movimento della Drosophila. "I sistemi biologici sono davvero unici rispetto ai sistemi artificiali in quanto possono modulare dinamicamente, ad esempio, l'eccitabilità dei neuroni o la forza delle sinapsi", aggiunge Ramdya. "Quindi, per capire cosa rende i sistemi biologici così agili, è necessario essere in grado di osservare questo dinamismo. Nel nostro caso, vorremmo osservare come, ad esempio, i sistemi motori rispondono nel corso della vita di un animale all'invecchiamento o durante recupero dopo infortunio."

L'attuale studio è pubblicato su Nature Communications . + Esplora ulteriormente

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