El hecho de que un animal sea blando y blando no significa que no sea duro. Los experimentos de la Universidad de Rice muestran que la humilde hidra es un buen ejemplo.

La hidra no parece envejecer y, aparentemente, nunca muere de vejez. Si cortas uno en dos, obtienes hidra. Y cada uno puede comer animales del doble de su tamaño.

Estas bestias son supervivientes y eso los hace dignos de estudio, según el ingeniero eléctrico e informático de Rice, Jacob Robinson.

Robinson y su equipo han desarrollado métodos para acorralar a los pequeños, hidras parecidas a calamares y realizan la primera caracterización completa de las relaciones entre la actividad neuronal y los movimientos musculares en estas criaturas. Sus resultados aparecen en la revista Lab on a Chip de la Royal Society of Chemistry.

Los investigadores utilizaron varios métodos para revelar los patrones neuronales básicos que impulsan las actividades de la hidra vulgaris de agua dulce:inmovilizaron a los animales en estrechos, pasajes cargados de agujas, los dejó caer en arenas de aproximadamente una décima parte del tamaño de una moneda de diez centavos y les permitió explorar espacios abiertos. Esperan que su análisis les ayude a identificar patrones que han sido conservados por la evolución en arquitecturas cerebrales más grandes.

Robinson es un neuroingeniero con experiencia en microfluídica, la manipulación de fluidos y su contenido a pequeña escala. Su laboratorio ha desarrollado una serie de sistemas basados ​​en chips que permiten a los científicos controlar los movimientos e incluso secuestrar sistemas biológicos (células y animales pequeños) para estudiarlos de cerca y durante largos períodos de tiempo.

El laboratorio ha estudiado todo lo anterior con su costumbre, sistemas de microfluidos de alto rendimiento, con gusanos que representan la parte "animal".

Pero hidrae, que alcanzan un máximo de medio centímetro de largo, vienen en diferentes tamaños y cambian sus formas a voluntad. Eso presentó desafíos particulares para los ingenieros.

"C. elegans (gusanos redondos) e hidra tienen similitudes, "Dijo Robinson." Son pequeños y transparentes y tienen relativamente pocas neuronas, y eso hace que sea más fácil observar la actividad de cada célula del cerebro al mismo tiempo.

"Pero hay enormes diferencias biológicas, ", dijo." El gusano tiene exactamente 302 neuronas, y sabemos exactamente cómo está conectado. Hydrae puede crecer y encogerse. Pueden cortarse en pedazos y formar nuevos animales, por lo que el número de neuronas en el interior puede cambiar en factores de 10.

"Eso significa que hay una diferencia fundamental en la neurobiología de los animales:donde el gusano tiene que tener un circuito exacto, las hidra pueden tener cualquier número de circuitos, reorganizarse de diferentes maneras y aún realizar comportamientos relativamente similares. Eso hace que sea muy divertido estudiarlos ".

La plataforma de microfluidos permitió al laboratorio secuestrar una sola hidra durante hasta 10 horas para estudiar la actividad neurológica durante distintos comportamientos como la columna del cuerpo y la contracción de los tentáculos. flexión y translocación Algunas de las hidra eran salvajes, mientras que otros se modificaron para expresar proteínas fluorescentes u otras. Debido a que la mejor manera de caracterizar una hidra es observarla durante aproximadamente una semana, el laboratorio está construyendo una serie de chips de microfluidos cargados de cámaras para producir películas a intervalos de hasta 100 animales a la vez.

"Si los miras a simple vista, ellos simplemente se sientan ahí, "Dijo Robinson." Son un poco aburridos. Pero si acelera las cosas con imágenes de lapso de tiempo, están realizando todo tipo de comportamientos interesantes. Están probando su entorno; se mueven hacia adelante y hacia atrás ".

Las pruebas de electrofisiología fueron posibles gracias al desarrollo del laboratorio de Nano-SPEARs, sondas microscópicas que miden la actividad eléctrica en las células individuales de animales pequeños. Las agujas se extienden desde el centro del dispositivo de captura en forma de reloj de arena y penetran en las células de una hidra sin causar daño permanente al animal.

Nano-SPEARS no parece medir la actividad de las neuronas dentro del animal, por lo que los investigadores utilizaron proteínas sensibles al calcio para activar señales fluorescentes en las células de la hidra y produjeron películas en tiempo real en las que las neuronas se iluminaban a medida que se contraían. "Usamos el calcio como un indicador de la actividad eléctrica dentro de la célula, ", Dijo Robinson." Cuando una célula se activa, el potencial eléctrico a través de su membrana cambia. Los canales de iones se abren y permiten que entre el calcio ". Con este enfoque, el laboratorio pudo identificar los patrones de actividad neuronal que impulsaban las contracciones musculares.

"Las imágenes de calcio nos brindan una resolución espacial, para saber dónde están activas las células, ", dijo." Eso es importante para entender cómo funciona el cerebro de este organismo ".

Manipular hidra es una habilidad adquirida, según el estudiante de posgrado y autor principal Krishna Badhiwala. "Si los manipula con pipetas, son realmente fáciles pero se adhieren a casi cualquier cosa, " ella dijo.

"Es un poco difícil meterlos en microfluidos porque en realidad son solo un cuerpo de dos células con un espesor de capa, "Dijo Badhiwala." Puedes imaginarlos siendo fácilmente triturados. Finalmente llegamos al punto en que somos realmente buenos insertándolos sin dañarlos demasiado. Solo requiere cierta destreza y firmeza ".

Con este y futuros estudios, el equipo espera conectar la actividad neuronal y la respuesta muscular para aprender sobre conexiones similares en otros miembros del reino animal.

"C. elegans, drosophila (moscas de la fruta), ratas los ratones y los humanos son bilaterales, "Dijo Robinson." Todos tenemos simetría bilateral. Eso significa que compartimos un ancestro común, hace cientos de millones de años. Las hidra pertenecen a otro grupo de animales llamados cnidarios, que son radialmente simétricas. Estas son cosas como medusas y tienen un antepasado más lejano.

"Pero la hidra y los humanos compartían un ancestro común que creemos fue el primer animal en tener neuronas, ", dijo." De este antepasado vinieron todos los sistemas nerviosos que vemos hoy.

"Al observar organismos en diferentes partes del árbol filogenético, podemos pensar en lo que es común a todos los animales con sistema nervioso. ¿Por qué tenemos un sistema nervioso? ¿Para que sirve? ¿Cuáles son las cosas que puede hacer una hidra que también pueden hacer los gusanos y los humanos? ¿Qué cosas no pueden hacer?

"Este tipo de preguntas nos ayudarán a comprender cómo hemos evolucionado el sistema nervioso que tenemos, "Dijo Robinson.

Los coautores son los estudiantes graduados de Rice Daniel Gonzales y Benjamin Avants y el ex alumno Daniel Vercosa, ahora ingeniero en Intel Corp. Robinson es profesor asistente de ingeniería eléctrica e informática.