I dispositivi microingegnerizzati consentono a lungo

Nature Communications volume 13, numero articolo: 5006 (2022) Citare questo articolo

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La dinamica e la connettività dei circuiti neurali cambiano continuamente su scale temporali che vanno dai millisecondi alla vita di un animale. Pertanto, per comprendere le reti biologiche, sono necessari metodi minimamente invasivi per registrarle ripetutamente negli animali comportamentali. Qui descriviamo una suite di dispositivi che consentono registrazioni ottiche a lungo termine del cordone nervoso ventrale adulto della Drosophila melanogaster (VNC). Questi sono costituiti da finestre trasparenti e numerate per sostituire l'esoscheletro toracico, impianti conformi per spostare gli organi interni, un braccio di precisione per facilitare l'impianto e un palco incernierato per legare ripetutamente le mosche. Per convalidare e illustrare il nostro kit di strumenti (i) mostriamo un impatto minimo sul comportamento e sulla sopravvivenza degli animali, (ii) seguiamo la degradazione dei terminali nervosi meccanosensoriali degli organi cordotonali per settimane dopo l'amputazione della gamba e (iii) scopriamo ondate di attività neurale ingestione di caffeina. Pertanto, il nostro kit di strumenti di imaging a lungo termine apre lo studio degli adattamenti dei circuiti premotori e motori in risposta a lesioni, ingestione di farmaci, invecchiamento, apprendimento e malattie.

I tessuti neurali sono notevolmente plastici, adattandosi ai cambiamenti degli stati interni e in risposta all’esposizione ripetuta a segnali ambientali salienti. Nelle neuroscienze, gli studi fisiologici su fenomeni a lungo termine, tra cui la formazione della memoria e la neurodegenerazione, si sono spesso basati sul confronto dei dati raccolti tra animali campionati in più punti temporali. Tuttavia, quantificare le differenze tra le condizioni con questo approccio soffre di variabilità interindividuale. Pertanto, le registrazioni longitudinali dello stesso animale sarebbero ideali per scoprire cambiamenti adattativi nelle dinamiche funzionali e strutturali dei circuiti neurali. È necessario superare importanti sfide tecniche per eseguire studi a lungo termine su singoli animali, inclusa la riduzione al minimo degli insulti sperimentali.

Con l'avvento delle registrazioni neurali basate sulla microscopia, in particolare dell'imaging del calcio a due fotoni,1 è diventato possibile registrare cronicamente i circuiti cerebrali in vivo in modo minimamente invasivo sfruttando dispositivi cronici. Ad esempio, le tecnologie delle finestre craniche sono state inizialmente sviluppate per studiare la neocorteccia2 dei topi e da allora sono state migliorate per acquisire campi visivi più ampi3 e più profondi4, nonché registrazioni di maggiore durata5. Analogamente ai roditori, l'imaging cerebrale può essere eseguito anche nella mosca adulta dal comportamento comportamentale, Drosophila melanogaster6,7, un organismo modello popolare che è (i) geneticamente trattabile, (ii) ha un piccolo sistema nervoso con molti meno neuroni rispetto ai roditori e ( iii) genera comportamenti sociali, di navigazione e motori complessi8,9,10,11.

Approcci recenti hanno consentito registrazioni croniche a lungo termine dei neuroni nel cervello della mosca12,13,14. In modo simile all'imaging della neocorteccia dei roditori con una finestra cranica15, il cervello della mosca può essere reso otticamente accessibile rimuovendo la cuticola della capsula cranica e i tessuti sottostanti6. Per eseguire l'imaging a lungo termine o ripetuto, questo foro può quindi essere coperto con colla polimerizzabile ai raggi UV13, silicone bicomponente16 o vetro di copertura tagliato manualmente12. Tuttavia, le tecniche e le tecnologie utilizzate per eseguire l’imaging a lungo termine nel cervello di topi e mosche non sono adatte per registrare i circuiti motori nel midollo spinale dei mammiferi o nel cordone nervoso ventrale degli insetti (VNC). Come il midollo spinale, che è oscurato dalle ossa vertebrali, dai muscoli e dalla lamina dorsale17, l'accesso ottico al VNC richiede la rimozione di più organi e tessuti sovrastanti, inclusi i muscoli del volo, i corpi adiposi, l'intestino e la trachea. Gli interventi chirurgici invasivi sul midollo spinale consentono l'impianto di una camera18 o di una pinza19. Tuttavia, le piccole dimensioni della mosca limitano l’uso di dispositivi impiantabili convenzionali, rappresentando una sfida importante per scoprire i principi generali del controllo motorio attraverso lo studio del VNC trattabile sperimentalmente, un tessuto nervoso organizzato grossolanamente come il midollo spinale dei mammiferi20, e i cui principi di controllo assomigliano a quelli riscontrati nei vertebrati21,22.