Los científicos de la EPFL han desarrollado una técnica de implantación que permite un acceso óptico sin precedentes a la "médula espinal" de la mosca de la fruta, Drosophila melanogaster. Este trabajo puede conducir potencialmente a avances en los campos de la neurociencia, la inteligencia artificial y la robótica bioinspirada.

Comprender el control motor biológico requiere la capacidad de registrar la actividad neuronal mientras los animales se comportan", dice el profesor Pavan Ramdya de la Escuela de Ciencias de la Vida de EPFL. "Tenemos mil millones de neuronas en la médula espinal humana, un sistema masivo, y no podemos manipular neuronas en un ser humano de la misma manera que podemos hacerlo con los animales. Drosophila, la mosca de la fruta, es un organismo muy pequeño en el que uno puede manipular genéticamente y obtener imágenes de la actividad de casi todo el circuito motor en el comportamiento de los animales".

Durante años, la investigación de Ramdya se ha centrado en recapitular digitalmente los principios que subyacen al control motor de Drosophila. En 2019, su grupo publicó DeepFly3D, un software de captura de movimiento basado en aprendizaje profundo que utiliza múltiples vistas de cámara para cuantificar los movimientos de las extremidades en 3D de las moscas que se comportan. En 2021, el equipo de Ramdya reveló LiftPose3D, un método para reconstruir poses de animales en 3D a partir de imágenes en 2D tomadas con una sola cámara. Estos esfuerzos se complementaron con su publicación en 2022 de NeuroMechFly, un primer "gemelo" digital morfológicamente preciso de Drosophila.

Pero siempre hay más desafíos por delante, especialmente en este campo que se encuentra en la interfaz entre la biología, la neurociencia, la informática y la robótica. El objetivo no es solo mapear y comprender el sistema nervioso de un organismo, una tarea ambiciosa en sí misma, sino también descubrir cómo desarrollar robots bioinspirados que sean tan ágiles como moscas.

"El obstáculo que teníamos antes de este trabajo", dice Ramdya, "era que solo podíamos registrar circuitos de motores de moscas durante un breve período de tiempo antes de que la salud del animal se deteriorara".

Por lo tanto, Ramdya se asoció con el profesor Selman Sakar de la Escuela de Ingeniería de EPFL para desarrollar herramientas para monitorear la actividad neuronal de Drosophila durante períodos de tiempo más largos, hasta toda la vida útil del insecto. Este proyecto fue encabezado por Laura Hermans, Ph.D. estudiante que ha sido co-supervisado por Ramdya y Sakar.

Una ventana al cordón nervioso ventral

"Desarrollamos dispositivos de microingeniería que brindan acceso óptico al cordón nervioso ventral del animal", dice Herman, refiriéndose al equivalente de la médula espinal de la mosca. "Luego implantamos quirúrgicamente estos dispositivos en el tórax de la mosca", continúa. "Uno de estos dispositivos, un implante, nos permite mover los órganos de la mosca a un lado para revelar el cordón nervioso ventral debajo. Luego sellamos el tórax con una ventana microfabricada transparente. Una vez que tengamos moscas con estos dispositivos, podemos registrar el comportamiento de la mosca. así como su actividad neuronal en una amplia gama de experimentos durante largos períodos de tiempo".

El propósito detrás de todas estas herramientas es permitir a los científicos observar un animal individual durante largos períodos de tiempo. Ahora pueden realizar experimentos que se extienden más allá de unas pocas horas e incluso pueden cubrir toda la vida útil de la mosca. "Por ejemplo, podemos estudiar cómo se adapta la biología de un animal durante la progresión de la enfermedad", dice Hermans. "También podemos estudiar los cambios en la actividad y la estructura del circuito neural durante el envejecimiento. El cordón nervioso ventral de la mosca es ideal porque alberga el circuito motor del animal, lo que nos permite estudiar cómo evoluciona la locomoción con el tiempo o después de una lesión".

El implante

"Como ingenieros, anhelamos desafíos técnicos tan bien definidos", dice Selman Sakar. "El grupo de Pavan ha desarrollado una técnica de disección para extirpar los órganos de la mosca que bloquean el campo de visión y visualizar el cordón nervioso ventral. Sin embargo, las moscas solo pueden sobrevivir unas pocas horas después de la cirugía. Estábamos convencidos de que un implante tiene para ser colocado dentro del tórax. Existen técnicas análogas para visualizar el sistema nervioso de animales más grandes como las ratas. Nos inspiramos en estas soluciones y empezamos a pensar en el tema de la miniaturización".

Los primeros prototipos intentaron abordar el desafío de mover con seguridad y retener los órganos de la mosca a un lado para descubrir el cordón nervioso ventral, mientras permitían que la mosca sobreviviera después de la cirugía.

"Para este desafío, necesita a alguien que pueda abordar un problema desde la perspectiva de las ciencias de la vida y la ingeniería; esto resalta la importancia del trabajo de Laura [Hermans] y Murat [Kaynak]", dice Sakar.

Los primeros implantes eran rígidos y muy pocas moscas sobrevivieron al procedimiento. Tratar de mejorar las tasas de supervivencia sin sacrificar la calidad de las imágenes planteó un desafío que requirió varias iteraciones de diseño. Al final, el ganador fue un prototipo simple pero efectivo:un implante compatible en forma de V que puede mover con seguridad los órganos de la mosca a un lado, descubrir el cordón ventral y permitir a los investigadores sellar el orificio en la cutícula con un "torácico con código de barras". ventana", que les permite observar el cordón nervioso ventral y hacer mediciones de la actividad neuronal a medida que la mosca realiza su vida diaria.

"Teniendo en cuenta las variaciones anatómicas de un animal a otro, tuvimos que encontrar una solución segura y adaptable", dice Sakar. "Nuestro implante responde a esta necesidad particular. Junto con el desarrollo de herramientas adecuadas de micromanipulación de tejidos y una etapa compatible con nanoimpresión 3D para montar animales durante sesiones de imágenes repetidas, proporcionamos un conjunto de herramientas completo y versátil para la investigación en neurociencia".

Un camino abierto

El logro es un ejemplo de la investigación abierta e interdisciplinaria típica de la EPFL. "Desde el primer día hemos sido muy abiertos a compartir la tecnología", dice Sakar. "La idea aquí es difundir rápidamente las herramientas y los métodos para que podamos facilitar un mayor desarrollo de la tecnología y el proceso de descubrimiento que ofrecen en muchos dominios de investigación. Creo que a varios grupos les gustaría explorar nuestra tecnología. ."

"Al estudiar la mosca, creemos que comprender algo relativamente simple puede sentar las bases para comprender organismos más complicados", dice Ramdya. "Cuando aprendes matemáticas, no te sumerges en álgebra lineal; primero aprendes a sumar y restar. Además, para la robótica, sería fantástico entender cómo funciona incluso un insecto "simple".

El siguiente paso para el equipo es utilizar su nueva metodología para desentrañar los mecanismos de control del movimiento de Drosophila. "Los sistemas biológicos son realmente únicos en comparación con los sistemas artificiales porque pueden modular dinámicamente, por ejemplo, la excitabilidad de las neuronas o la fuerza de las sinapsis", agrega Ramdya. "Entonces, para comprender qué hace que los sistemas biológicos sean tan ágiles, debe poder observar este dinamismo. En nuestro caso, nos gustaría ver cómo, por ejemplo, los sistemas motores responden al envejecimiento durante la vida de un animal o durante recuperación después de una lesión".

El estudio actual se publica en Nature Communications . + Explora más

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