Solo perché un animale è morbido e soffice non significa che non sia duro. Gli esperimenti alla Rice University mostrano che l'umile idra è un buon esempio.

L'idra non sembra invecchiare e apparentemente non muore mai di vecchiaia. Se ne tagli uno in due, ottieni idra. E ognuno può mangiare animali il doppio di lui.

Queste bestie sono sopravvissuti, e questo li rende degni di studio, secondo l'ingegnere elettrico e informatico della Rice Jacob Robinson.

Robinson e il suo team hanno sviluppato metodi per rinchiudere i piccoli, idre simili a calamari ed eseguono la prima caratterizzazione completa delle relazioni tra attività neurale e movimenti muscolari in queste creature. I loro risultati appaiono nella rivista Lab on a Chip della Royal Society of Chemistry.

I ricercatori hanno utilizzato diversi metodi per rivelare i modelli neurali di base che guidano le attività dell'hydra vulgaris d'acqua dolce:hanno immobilizzato gli animali in stretti, passaggi carichi di aghi, li lasciò cadere in arene grandi circa un decimo di un centesimo e lasciò che esplorino spazi aperti. Si aspettano che la loro analisi li aiuterà a identificare i modelli che sono stati conservati dall'evoluzione in architetture cerebrali più grandi.

Robinson è un neuroingegnere con esperienza in microfluidica, la manipolazione dei fluidi e del loro contenuto su piccola scala. Il suo laboratorio ha sviluppato una serie di sistemi basati su chip che consentono agli scienziati di controllare i movimenti e persino di sequestrare sistemi biologici - cellule e piccoli animali - per studiarli da vicino e per lunghi periodi di tempo.

Il laboratorio ha studiato tutto quanto sopra con la sua consuetudine, sistemi di microfluidica ad alto rendimento, con vermi che rappresentano la parte "animale".

Ma idre, che sboccano a circa mezzo centimetro di lunghezza, sono disponibili in diverse dimensioni e cambiano forma a piacimento. Ciò ha presentato sfide particolari agli ingegneri.

"C. elegans (ascaridi) e idre hanno somiglianze, " ha detto Robinson. "Sono piccoli e trasparenti e hanno relativamente pochi neuroni, e questo rende più facile osservare contemporaneamente l'attività di ogni cellula cerebrale.

"Ma ci sono enormi differenze biologiche, " ha detto. "Il verme ha esattamente 302 neuroni, e sappiamo esattamente come è cablato. Le idre possono crescere e rimpicciolirsi. Possono essere tagliati a pezzi e formare nuovi animali, quindi il numero di neuroni all'interno può variare di fattori 10.

"Ciò significa che c'è una differenza fondamentale nella neurobiologia degli animali:dove il verme deve avere un circuito esatto, le idre possono avere un numero qualsiasi di circuiti, riorganizzarsi in modi diversi ed eseguire ancora comportamenti relativamente simili. Questo li rende davvero divertenti da studiare".

La piattaforma di microfluidica consente al laboratorio di sequestrare una singola idra per un massimo di 10 ore per studiare l'attività neurologica durante comportamenti distinti come la contrazione della colonna corporea e dei tentacoli, flessione e traslocazione. Alcune delle idre erano selvagge, mentre altri sono stati modificati per esprimere fluorescenti o altre proteine. Perché il modo migliore per caratterizzare un'idra è osservarla per circa una settimana, il laboratorio sta costruendo una serie di chip microfluidici carichi di telecamere per produrre filmati time-lapse di un massimo di 100 animali contemporaneamente.

"Se li guardi ad occhio nudo, stanno semplicemente seduti lì, " ha detto Robinson. "Sono un po' noiosi. Ma se acceleri le cose con l'imaging time-lapse, stanno eseguendo tutti i tipi di comportamenti interessanti. Stanno campionando il loro ambiente; si muovono avanti e indietro".

I test di elettrofisiologia sono stati resi possibili dallo sviluppo del laboratorio di Nano-SPEAR, sonde microscopiche che misurano l'attività elettrica nelle singole cellule di piccoli animali. Gli aghi si estendono dal centro del dispositivo di cattura a forma di clessidra e penetrano nelle cellule di un'idra senza causare danni permanenti all'animale.

Le nano-lance non sembrano misurare l'attività dei neuroni all'interno dell'animale, così i ricercatori hanno usato proteine ​​sensibili al calcio per attivare segnali fluorescenti nelle cellule dell'idra e hanno prodotto filmati time-lapse in cui i neuroni si illuminavano mentre si contraevano. "Usiamo il calcio come proxy per l'attività elettrica all'interno della cellula, " disse Robinson. "Quando una cellula diventa attiva, il potenziale elettrico attraverso la sua membrana cambia. I canali ionici si aprono e consentono al calcio di entrare." Con questo approccio, il laboratorio potrebbe identificare i modelli di attività neurale che guidano le contrazioni muscolari.

"L'imaging del calcio ci offre una risoluzione spaziale, così so dove le cellule sono attive, " ha detto. "Questo è importante per capire come funziona il cervello di questo organismo".

La manipolazione delle idre è un'abilità acquisita, secondo lo studente laureato e autore principale Krishna Badhiwala. "Se li maneggi con le pipette, sono davvero facili, ma si attaccano praticamente a qualsiasi cosa, " lei disse.

"È un po' difficile inserirli nella microfluidica perché in realtà sono solo un corpo a due strati di cellule, " Badhiwala ha detto. "Puoi immaginare che vengano facilmente triturati. Alla fine siamo arrivati ​​al punto in cui siamo davvero bravi a inserirli senza danneggiarli troppo. Richiede solo un po' di destrezza e fermezza".

Con questo e futuri studi, il team spera di collegare l'attività neurale e la risposta muscolare per conoscere connessioni simili in altri membri del regno animale.

"C. elegans, drosophila (moscerini della frutta), ratti, topi e umani sono bilaterali, " ha detto Robinson. "Abbiamo tutti una simmetria bilaterale. Ciò significa che abbiamo condiviso un antenato comune, centinaia di milioni di anni fa. Le idre appartengono ad un altro gruppo di animali chiamati cnidari, che sono radialmente simmetriche. Queste sono cose come le meduse, e hanno un antenato più lontano.

"Ma le idre e gli umani condividevano un antenato comune che crediamo sia stato il primo animale ad avere neuroni, " ha detto. "Da questo antenato sono venuti tutti i sistemi nervosi che vediamo oggi.

"Osservando gli organismi in diverse parti dell'albero filogenetico, possiamo pensare a ciò che è comune a tutti gli animali con sistema nervoso. Perché abbiamo un sistema nervoso? Per cosa è buono? Quali sono le cose che può fare un'idra che possono fare anche i vermi e gli umani? Quali sono le cose che non possono fare?

"Questo tipo di domande ci aiuterà a capire come abbiamo evoluto il sistema nervoso che abbiamo, " ha detto Robinson.

I coautori sono gli studenti laureati Rice Daniel Gonzales e Benjamin Avants e l'alunno Daniel Vercosa, ora ingegnere presso Intel Corp. Robinson è un assistente professore di ingegneria elettrica e informatica.