Gli scienziati dell’EPFL hanno sviluppato una tecnica di impianto che consente un accesso ottico senza precedenti al "midollo spinale" del moscerino della frutta Drosophila melanogaster. Questo lavoro potrebbe portare a progressi nei campi delle neuroscienze, dell’intelligenza artificiale e della robotica bioispirata.
"Per comprendere il controllo motorio biologico, dobbiamo essere in grado di registrare l’attività neurale degli animali in movimento", spiega il professor Pavan Ramdya della Facoltà di Scienze della Vita dell’EPFL. "Nel midollo spinale umano c’è un miliardo di neuroni, un numero enorme, e non possiamo manipolare i neuroni degli esseri umani allo stesso modo degli animali. La mosca dell’aceto o Drosophila è un organismo molto piccolo che può essere manipolato geneticamente e la cui attività di quasi tutti i circuiti motori può essere osservata tramite imaging".
Per anni, la ricerca di Pavan Ramdya si è concentrata sulla ricapitolazione digitale dei principi alla base del controllo motorio della Drosophila. Nel 2019, il suo team ha pubblicato DeepFly3D , un software di deep learning basato sulla cattura del movimento che utilizza più viste della telecamera per quantificare i movimenti degli arti della mosca in 3D. Nel 2021, il team di Ramdya ha presentato LiftPose3D , un metodo per ricostruire le pose degli animali in 3D da immagini 2D scattate con una sola telecamera. Questo lavoro è stato completato dalla pubblicazione nel 2022 di NeuroMechFly, il primo "gemello" digitale morfologicamente simile di Drosophila.
Ma ci sono ancora altre sfide da affrontare, soprattutto in questo campo che si trova all’incrocio tra biologia, neuroscienze, informatica e robotica. L’obiettivo non è solo quello di mappare e comprendere il sistema nervoso di un organismo - un compito di per sé ambizioso - ma anche di scoprire come sviluppare robot bio-ispirati agili come mosche.
"L’ostacolo che abbiamo dovuto affrontare prima di questo lavoro", spiega Pavan Ramdya, "è stato quello di poter registrare i circuiti motori della mosca solo per un breve periodo di tempo prima che la salute dell’insetto si deteriorasse.
Pavan Ramdya ha unito le forze con il professor Selman Sakar della Facoltà di Ingegneria dell’EPFL per sviluppare strumenti per monitorare l’attività neurale della Drosophila per periodi di tempo più lunghi, fino all’intera vita dell’insetto. Questo progetto è stato guidato da Laura Hermans, una studentessa di dottorato sotto la supervisione di Pavan Ramdya e Selman Sakar.
Una finestra nel midollo nervoso ventrale
"Abbiamo sviluppato dispositivi microtecnici che consentono l’accesso ottico al midollo nervoso ventrale dell’animale", spiega Laura Hermans, riferendosi all’equivalente del midollo spinale nella mosca. "Abbiamo poi impiantato chirurgicamente questi dispositivi nel torace della mosca", continua l’autrice. "Uno di questi dispositivi, un impianto, ci permette di spostare gli organi della mosca per rivelare il cordone nervoso ventrale sottostante. Poi chiudiamo il torace con una finestra trasparente microfabbricata. Una volta che la mosca è dotata di questi dispositivi, possiamo registrare il suo comportamento e la sua attività neurale in numerosi esperimenti per lunghi periodi di tempo".
Tutti questi strumenti consentono agli scienziati di osservare un animale per lunghi periodi di tempo. Ora è possibile condurre esperimenti che durano più di qualche ora e persino per tutta la vita della mosca. "Ad esempio, possiamo studiare l’adattamento della biologia di un animale durante la progressione di una malattia", aggiunge Laura Hermans. "Possiamo anche studiare i cambiamenti nell’attività dei circuiti neurologici e nella loro struttura durante l’invecchiamento. Il midollo nervoso ventrale della mosca è perfetto perché ospita i circuiti motori dell’insetto, il che ci permette di studiare come la locomozione cambia nel tempo o dopo una lesione".
L’impianto
"Come ingegneri, ci appassionano le sfide tecniche ben definite", afferma Selman Sakar. "Il team di Pavan ha sviluppato una tecnica di dissezione che consente di rimuovere gli organi della mosca che bloccano il campo visivo e di visualizzare il midollo nervoso ventrale. Ma le mosche possono sopravvivere solo per poche ore dopo l’intervento. Eravamo convinti che si dovesse inserire un impianto all’interno del torace. Esistono tecniche simili per visualizzare il sistema nervoso di animali più grandi, come i ratti. Ci siamo ispirati a queste soluzioni e abbiamo iniziato a pensare al problema della miniaturizzazione".
Con i primi prototipi, la sfida era quella di spostare e preservare gli organi della mosca per rivelare il midollo nervoso ventrale, consentendo al contempo alla mosca di sopravvivere dopo l’intervento.
"Per affrontare questa sfida, servono persone in grado di comprendere un problema sia dal punto di vista delle scienze della vita che da quello dell’ingegneria: questo sottolinea l’importanza del lavoro di Laura [Hermans] e Murat [Kaynak]", spiega Selman Sakar.
I primi impianti erano rigidi e pochissime mosche sopravvivevano dopo l’intervento. Migliorare i tassi di sopravvivenza senza sacrificare la qualità delle immagini è stata una sfida che ha richiesto diversi tentativi di progettazione. Alla fine, il prodotto di successo è stato un prototipo semplice ma efficace: un impianto flessibile a forma di V che può muovere in modo sicuro gli organi della mosca, esporre il midollo nervoso ventrale e consentire ai ricercatori di chiudere il foro nella cuticola con una "finestra toracica con codice a barre", permettendo loro di osservare il midollo nervoso ventrale e misurare l’attività neuronale della mosca nella sua vita quotidiana.
"A causa delle differenze anatomiche tra gli animali, abbiamo dovuto trovare una soluzione sicura e adattabile", spiega Selman Sakar. "Il nostro impianto risponde a questa esigenza specifica. Con lo sviluppo di strumenti di micromanipolazione dei tessuti adattati e di un vassoio flessibile 3D nano-stampato per tenere gli animali durante le sessioni di imaging ripetute, forniamo una cassetta degli attrezzi completa e multiuso per la ricerca sulle neuroscienze".
Una strada aperta
Questa scoperta è un esempio della ricerca aperta e interdisciplinare dell’EPFL. "Siamo sempre stati molto aperti alla condivisione della tecnologia", spiega Selman Sakar. "L’idea è quella di rendere rapidamente noti gli strumenti e i metodi, in modo da facilitare lo sviluppo futuro della tecnologia e il processo di scoperta che essi offrono in molte aree di ricerca". Credo che un certo numero di squadre voglia scoprire la nostra tecnologia".
"Quando si studia la mosca, si pensa che se si riesce a capire qualcosa di relativamente semplice, si può essere meglio preparati a comprendere organismi più complicati", dice Pavan Ramdya. "Quando si impara la matematica, non ci si tuffa nell’algebra lineare, ma si impara prima l’addizione e la sottrazione. E per la robotica, sarebbe fantastico capire come funziona anche un semplice insetto".
Il prossimo passo del team è quello di utilizzare la nuova metodologia per scoprire i meccanismi di controllo dei movimenti della Drosophila. "I sistemi biologici sono davvero incredibili rispetto a quelli artificiali, in quanto possono modulare dinamicamente, ad esempio, l’eccitabilità dei neuroni o la forza delle sinapsi", aggiunge Pavan Ramdya. "Quindi, per capire cosa rende i sistemi biologici così agili, bisogna essere in grado di osservare questo dinamismo. Nel nostro caso, vorremmo vedere come, nell’arco dell’intera vita di un animale, i sistemi motori rispondono all’invecchiamento o al recupero da una lesione".
RiferimentiLaura Hermans, Murat Kaynak, Jonas Braun, Victor Lobato-Ríos, Chin-Lin Chen, Adam Friedberg, Semih Günel, Florian Aymanns, Mahmut Selman Sakar, Pavan Ramdya. Dispositivi microingegnerizzati consentono l’imaging a lungo termine del midollo nervoso ventrale in Drosophila adulta. Nature Communications, 25 agosto 2022. DOI: 10.1038/s41467’022 -32571-y
