Микроинженерные устройства позволяют долго

Nature Communications, том 13, номер статьи: 5006 (2022 г.) Цитировать эту статью

3509 Доступов

2 цитаты

95 Альтметрика

Подробности о метриках

Динамика и связность нейронных цепей постоянно меняются во времени от миллисекунд до жизни животного. Поэтому для понимания биологических сетей необходимы минимально инвазивные методы их многократной регистрации в поведении животных. Здесь мы описываем набор устройств, которые позволяют осуществлять долгосрочную оптическую запись вентрального нервного шнура взрослой Drosophila melanogaster (VNC). Они состоят из прозрачных пронумерованных окон для замены грудного экзоскелета, податливых имплантатов для перемещения внутренних органов, точной руки для облегчения имплантации и шарнирной платформы для многократного привязывания мух. Чтобы подтвердить и проиллюстрировать наш набор инструментов, мы (i) показываем минимальное влияние на поведение и выживание животных, (ii) следим за деградацией механосенсорных нервных окончаний хордотональных органов в течение нескольких недель после ампутации ноги и (iii) выявляем волны нервной активности при приеме кофеина. Таким образом, наш набор инструментов для долгосрочной визуализации открывает возможность исследовать адаптацию премоторных и двигательных цепей в ответ на травмы, прием лекарств, старение, обучение и болезни.

Нервные ткани удивительно пластичны, адаптируются к изменениям внутреннего состояния и в ответ на неоднократное воздействие ярких сигналов окружающей среды. В нейробиологии физиологические исследования долговременных явлений, включая формирование памяти и нейродегенерацию, часто основываются на сравнении данных, собранных у животных, отобранных в несколько моментов времени. Однако количественная оценка различий между состояниями с помощью этого подхода страдает от межиндивидуальной изменчивости. Таким образом, продольные записи одного и того же животного были бы идеальными для выявления адаптивных изменений в функциональной и структурной динамике нейронных цепей. Для проведения долгосрочных исследований на отдельных животных необходимо решить важные технические проблемы, включая минимизацию экспериментальных повреждений.

С появлением нейронных записей на основе микроскопии, в первую очередь двухфотонной визуализации кальция1, стало возможным вести хроническую запись мозговых цепей in vivo минимально инвазивным способом с использованием хронических устройств. Например, технологии краниального окна были впервые разработаны для изучения неокортекса2 мышей и с тех пор были усовершенствованы для получения более крупных3 и более глубоких4 полей зрения изображений, а также более длительных записей5. Как и у грызунов, визуализация мозга также может быть выполнена у взрослой мухи Drosophila melanogaster6,7, популярного модельного организма, который (i) генетически податлив, (ii) имеет небольшую нервную систему со значительно меньшим количеством нейронов, чем у грызунов, и ( iii) генерирует сложное социальное, навигационное и двигательное поведение8,9,10,11.

Недавние подходы позволили вести долгосрочную хроническую запись нейронов мозга мух12,13,14. Подобно визуализации неокортекса грызунов с помощью краниального окна15, мозг мух можно сделать оптически доступным, удалив кутикулу головной капсулы и подлежащие ткани6. Для проведения долговременной или повторной визуализации это отверстие можно затем закрыть УФ-отверждаемым клеем13, двухкомпонентным силиконом16 или вырезанным вручную покровным стеклом12. Однако методы и технологии, используемые для долговременной визуализации мозга мышей и мух, не подходят для записи двигательных цепей в спинном мозге млекопитающих или вентральном нервном мозге насекомых (VNC). Как и спинной мозг, который скрыт позвоночной костью, мышцами и дорсальной пластинкой17, оптический доступ к ВНС требует удаления множества вышележащих органов и тканей, включая летательные мышцы, жировые тела, кишечник и трахею. Инвазивные операции на спинном мозге позволяют имплантировать камеру18 или зажим19. Однако небольшой размер мухи ограничивает использование традиционных имплантируемых устройств, что представляет собой серьезную проблему для раскрытия общих принципов двигательного контроля посредством исследования экспериментально управляемой VNC — нервной ткани, которая грубо организована, как спинной мозг млекопитающих20, и чьи принципы контроля напоминают те, что обнаружены у позвоночных животных21,22.