Ein Fenster in das Nervensystem der Fruchtfliege

Wissenschaftler der EPFL haben eine Implantationstechnik entwickelt, die einen beispiellosen optischen Zugang zum „Rückenmark“ der Fruchtfliege Drosophila melanogaster ermöglicht. Diese Arbeit kann möglicherweise zu Durchbrüchen in den Bereichen Neurowissenschaften, künstliche Intelligenz und bioinspirierte Robotik führen.

Das Verständnis der biologischen Motorsteuerung erfordert die Fähigkeit, die neuronale Aktivität aufzuzeichnen, während sich Tiere verhalten“, sagt Professor Pavan Ramdya von der School of Life Sciences der EPFL. „Wir haben eine Milliarde Neuronen im menschlichen Rückenmark – ein riesiges System – und wir können es nicht manipulieren Neuronen in einem Menschen so, wie wir es bei Tieren können. Drosophila, die Fruchtfliege, ist ein sehr kleiner Organismus, in dem man die Aktivität fast des gesamten motorischen Schaltkreises in sich verhaltenden Tieren genetisch manipulieren und abbilden kann.“

Seit Jahren konzentriert sich Ramdyas Forschung auf die digitale Rekapitulation der Prinzipien, die der Motorsteuerung von Drosophila zugrunde liegen. 2019 seine Gruppe veröffentlicht DeepFly3D, eine Deep-Learning-basierte Motion-Capture-Software, die mehrere Kameraansichten verwendet, um die 3D-Gliedmaßenbewegungen von Fliegen zu quantifizieren. 2021 Ramdyas Team enthüllte LiftPose3D, ein Verfahren zur Rekonstruktion von 3D-Tierposen aus 2D-Bildern, die von einer einzelnen Kamera aufgenommen wurden. Diese Bemühungen wurden durch seine Veröffentlichung von NeuroMechFly im Jahr 2022 ergänzt, einem ersten morphologisch genauen digitalen „Zwilling“ von Drosophila.

Aber gerade in diesem Bereich, der an der Schnittstelle zwischen Biologie, Neurowissenschaften, Informatik und Robotik liegt, warten immer neue Herausforderungen. Ziel ist es, nicht nur das Nervensystem eines Organismus abzubilden und zu verstehen – an sich schon eine ambitionierte Aufgabe –, sondern auch herauszufinden, wie man bioinspirierte Roboter entwickeln kann, die so agil wie Fliegen sind.

„Das Hindernis, das wir vor dieser Arbeit hatten“, sagt Ramdya, „war, dass wir Motorschaltkreise von Fliegen nur für kurze Zeit aufzeichnen konnten, bevor sich der Gesundheitszustand des Tieres verschlechterte.“

Aus diesem Grund hat sich Ramdya mit Professor Selman Sakar von der School of Engineering der EPFL zusammengetan, um Werkzeuge zur Überwachung der neuronalen Aktivität von Drosophila über längere Zeiträume bis hin zur gesamten Lebensdauer des Insekts zu entwickeln. Dieses Projekt wurde von Laura Hermans, einer Ph.D. Student, der von Ramdya und Sakar gemeinsam betreut wurde.

Ein Fenster in den ventralen Nervenstrang

„Wir haben mikrotechnische Geräte entwickelt, die einen optischen Zugang zum ventralen Nervenstrang des Tieres ermöglichen“, sagt Herman und bezieht sich auf das Äquivalent der Fliege zum Rückenmark. „Wir haben diese Geräte dann chirurgisch in den Brustkorb der Fliege implantiert“, fährt sie fort. „Eines dieser Geräte, ein Implantat, ermöglicht es uns, die Organe der Fliege zur Seite zu bewegen, um das darunter liegende ventrale Nervenstrang freizulegen. Dann versiegeln wir den Thorax mit einem transparenten, mikrogefertigten Fenster. Sobald wir Fliegen mit diesen Geräten haben, können wir das Verhalten der Fliege aufzeichnen sowie seine neuronale Aktivität in einer Vielzahl von Experimenten über lange Zeiträume.

Der Zweck all dieser Werkzeuge besteht darin, Wissenschaftlern zu ermöglichen, ein einzelnes Tier über lange Zeiträume zu beobachten. Sie können nun Experimente durchführen, die über wenige Stunden hinausgehen und sogar die gesamte Lebensdauer der Fliege abdecken können. „Wir können zum Beispiel untersuchen, wie sich die Biologie eines Tieres während des Krankheitsverlaufs anpasst“, sagt Hermans. „Wir können auch Veränderungen in der Aktivität und Struktur neuraler Schaltkreise während des Alterns untersuchen. Das ventrale Nervenstrang der Fliege ist ideal, da es die motorischen Schaltkreise des Tieres beherbergt, sodass wir untersuchen können, wie sich die Fortbewegung im Laufe der Zeit oder nach einer Verletzung entwickelt.“

Das Implantat

„Als Ingenieure sehnen wir uns nach solch genau definierten technischen Herausforderungen“, sagt Selman Sakar. „Pavans Gruppe hat eine Präparationstechnik entwickelt, um der Fliege die Organe zu entnehmen, die das Sichtfeld blockieren und den ventralen Nervenstrang sichtbar machen. Allerdings können die Fliegen nur wenige Stunden nach der Operation überleben. Wir waren überzeugt, dass ein Implantat hat.“ im Thorax platziert werden. Es gibt analoge Techniken zur Visualisierung des Nervensystems größerer Tiere wie Ratten. Wir haben uns von diesen Lösungen inspirieren lassen und begannen, über das Thema Miniaturisierung nachzudenken.“

Die frühen Prototypen versuchten, die Herausforderung zu bewältigen, die Organe der Fliege sicher zu bewegen und beiseite zu halten, um das ventrale Nervenstrang freizulegen, während die Fliege nach der Operation überleben konnte.

„Für diese Herausforderung brauchen Sie jemanden, der ein Problem sowohl aus biowissenschaftlicher als auch aus ingenieurwissenschaftlicher Sicht angehen kann – das unterstreicht die Bedeutung von Laura [Hermans] und Murats [Kaynak] Arbeit“, sagt Sakar.

Die frühen Implantate waren starr und nur sehr wenige Fliegen überlebten das Verfahren. Der Versuch, die Überlebensraten zu verbessern, ohne die Bildqualität zu opfern, stellte eine Herausforderung dar, die mehrere Design-Iterationen erforderte. Am Ende war der Gewinner ein einfacher, aber effektiver Prototyp: ein V-förmiges, nachgiebiges Implantat, das die Organe der Fliege sicher zur Seite bewegen, die Bauchschnur freilegen und es den Forschern ermöglichen kann, das Loch in der Nagelhaut mit einem „Brustkorb mit Strichcode“ zu versiegeln Fenster“, das es ihnen ermöglicht, den ventralen Nervenstrang zu beobachten und die neuronale Aktivität zu messen, während die Fliege ihrem täglichen Leben nachgeht.

„Angesichts der von Tier zu Tier unterschiedlichen Anatomie mussten wir eine sichere und anpassungsfähige Lösung finden“, sagt Sakar. „Unser Implantat geht auf diesen besonderen Bedarf ein. Zusammen mit der Entwicklung geeigneter Werkzeuge zur Gewebemikromanipulation und einer 3D-nanogedruckten kompatiblen Bühne zum Montieren von Tieren während wiederholter Bildgebungssitzungen bieten wir ein vollständiges, vielseitiges Toolkit für die neurowissenschaftliche Forschung.“

Eine offene Straße

Die Leistung ist ein Beispiel für die für die EPFL typische offene und interdisziplinäre Forschung. „Vom ersten Tag an waren wir sehr offen dafür, die Technologie zu teilen“, sagt Sakar. „Die Idee hier ist, die Werkzeuge und Methoden schnell zu verbreiten, damit wir sowohl die Weiterentwicklung der Technologie als auch den Entdeckungsprozess erleichtern können, den sie in vielen Bereichen der Forschung bieten. Eine Reihe von Gruppen möchte, glaube ich, unsere Technologie erforschen .“

„Durch das Studium der Fliege glauben wir, dass das Verständnis von etwas relativ Einfachem den Grundstein für das Verständnis komplizierterer Organismen legen kann“, sagt Ramdya. „Wenn man Mathematik lernt, taucht man nicht in lineare Algebra ein; man lernt zuerst, wie man addiert und subtrahiert. Außerdem wäre es für die Robotik fantastisch zu verstehen, wie selbst ein „einfaches“ Insekt funktioniert.“

Der nächste Schritt für das Team besteht darin, ihre neue Methodik einzusetzen, um die Mechanismen der Drosophila-Bewegungskontrolle zu enträtseln. „Biologische Systeme sind wirklich einzigartig im Vergleich zu künstlichen Systemen, da sie beispielsweise die Erregbarkeit von Neuronen oder die Stärke von Synapsen dynamisch modulieren können“, fügt Ramdya hinzu. „Um zu verstehen, was biologische Systeme so agil macht, muss man also diese Dynamik beobachten können. In unserem Fall möchten wir zum Beispiel untersuchen, wie motorische Systeme im Laufe eines Tierlebens auf das Altern oder währenddessen reagieren Genesung nach einer Verletzung.“

Die aktuelle Studie ist erschienen in Naturkommunikation.