Miniaturowe bieżnie FlyFit pomogą badać chodzące owady

Muszki owocówki chodzące na miniaturowych bieżniach pomagają naukowcom dowiedzieć się, w jaki sposób układ nerwowy umożliwia zwierzętom poruszanie się w nieprzewidywalnym i złożonym świecie.

Wnioski z wykorzystania tych bieżni dostosowanych do wielkości muszki owocowej zostały opublikowane 30 sierpnia 2024 roku w Current Biology. Kilka filmów z muszkami biegnącymi na bieżniach jest dostępnych do obejrzenia w internetowym artykule badawczym. Głównym autorem jest Brandon G. Pratt, niedawny absolwent studiów doktoranckich z fizjologii i biofizyki na University of Washington School of Medicine w Seattle i absolwent National Science Foundation Graduate Research Fellow.

Zaprojektował on małe maszyny FlyFit z niedrogich części, w oparciu o prototyp Maxa Mauera, absolwenta inżynierii mechanicznej University of Washington.

Pratt i jego współpracownicy naukowi wyjaśnili, że chodzące zwierzęta, w tym owady i ludzie, muszą rozpoznawać i szybko radzić sobie z nieoczekiwanymi zmianami pod nogami. Gdyby zwierzę nie było w stanie tego zrobić, poruszanie się po świecie byłoby prawie niemożliwe, a obrażenia w wyniku upadków byłyby prawdopodobnie nazbyt częste.

W jaki sposób układ nerwowy wykrywa te nieoczekiwane zdarzenia i kontroluje ciało, aby odzyskało równowagę podczas lokomocji? To pytanie postawili sobie badacze w laboratorium Johna Tuthilla na Wydziale Fizjologii i Biofizyki UW, gdzie Tuthill jest profesorem nadzwyczajnym, a Pratt prowadził badania doktorskie. Koledzy z laboratorium Su-Yee J. Lee i Grant M. Chou również przyczynili się do tego projektu.

Laboratorium Tuthilla bada propriocepcję: w jaki sposób ciało nieustannie odczuwa swoją artykulację i ruch. Choroby, urazy i inne czynniki mogą zakłócać zdolność ludzi i zwierząt do koordynowania swoich ciał i utrudniać proste zadania, takie jak sięgnięcie po szklankę wody lub przejście kilku metrów.

Badanie, w jaki sposób propriocepcja kontroluje ciało, gdy traci równowagę podczas lokomocji, jest podstawowym wyzwaniem dla neurobiologów. Eksperymentalne zaburzenia propriocepcji mogą ograniczyć zachowania zwierząt, a tym samym utrudnić wysiłki mające na celu zbadanie roli propriocepcji w naturalnych czynnościach, takich jak chodzenie.

Historycznie rzecz biorąc, bieżnie skutecznie rozpalały u zwierząt chęć chodzenia po zaburzeniach układu nerwowego. Bieżnie pomogły uzyskać wgląd w kontrolę neuronalną chodzenia i biegania u bezkręgowców (zwierząt bez kręgosłupa), takich jak karaluchy i patyczaki, a także u kręgowców, takich jak gryzonie, koty i ludzie.

Bieżnie z rozdzielonym pasem mają dwa pasy, które poruszają się niezależnie. Naukowcy wykorzystują je do badania, w jaki sposób koordynacja między nogami dostosowuje się, gdy nogi po lewej stronie ciała poruszają się z inną prędkością niż nogi po prawej stronie. Bieżnie te odegrały kliniczną rolę w ocenie pacjentów po udarze.

Oba typy systemów bieżni zainspirowały naukowców z laboratorium Tuthill do skonstruowania miniaturowych wersji w celu zbadania lokomocji u muszek owocówek. Te maleńkie stworzenia są dobrym systemem modelowym do badania kontroli neuronalnej lokomocji, ponieważ mają zwarty, w pełni zmapowany układ nerwowy. Ponadto zestaw narzędzi genetycznych umożliwia naukowcom wykonywanie precyzyjnych i specyficznych manipulacji układem nerwowym muchy.

Liniowy system bieżni w laboratorium Tuthilla zmusza muchy do chodzenia i umożliwia długoterminowe śledzenie 3D. Naukowcy byli w stanie przeanalizować chodzenie z różnymi prędkościami u muszek z upośledzoną propriocepcją i bez niej.

Na bieżni muszki chodziły w seriach, sprintując do przodu komory bieżni, a następnie jechały na pasie do tyłu. Spędzały mniej więcej połowę czasu na chodzeniu. Przyspieszały, gdy robił to pas. Podobnie jak u ludzi i karaluchów, ich wysokość ciała rosła, gdy chodziły szybciej. Wykorzystując bieżnię w swoich eksperymentach, naukowcy uzyskali najszybszą prędkość chodzenia, jaką kiedykolwiek odnotowano u muszek owocówek.

„Były w stanie przekroczyć chwilową prędkość chodzenia 50 milimetrów na sekundę” — zauważyli naukowcy.

Naukowcy genetycznie wyciszyli również neurony odpowiadające za propriocepcję i puścili owady na liniowej bieżni. Bez tego sensorycznego sprzężenia zwrotnego muchy wykonywały mniej kroków, ale były to większe kroki. Co zaskakujące, koordynacja ich nóg nie wydawała się być naruszona — być może dlatego, że inne neurony proprioceptywne są ważniejsze dla koordynacji chodzenia, lub układ nerwowy mógł zrekompensować brak sprzężenia zwrotnego.

Naukowcy odkryli, że bieżnia z rozdzielonym pasem miała niewielki wpływ na koordynację między nogami. Jednak muszki znacząco zmieniły odległość kroków swoich środkowych odnóży, gdy oba pasy poruszały się z różną prędkością. Naukowcy sugerują, że muszki modyfikują swoje kroki, aby kontynuować chodzenie prosto w obecności zaburzeń rotacyjnych.

„Środkowe odnóża są idealnie ustawione, aby stabilnie obracać ciało muszki wokół jej środka masy, jak wiosłowanie łodzią od jej środka” — wyjaśnili naukowcy.

Naukowcy zauważyli, że „te spostrzeżenia ilustrują, w jaki sposób bieżnie wypełniają ważną lukę między swobodnym chodzeniem a przygotowaniami na uwięzi w celu zbadania mechanizmów neuronalnych i behawioralnych lokomocji much”.

Naukowcy udostępnili oprogramowanie i projekty sprzętowe tych miniaturowych systemów bieżni jako bezpłatne, otwarte źródło dla innych naukowców.

Więcej informacji: Brandon G. Pratt i in., Miniature linear and split-belt treadmills reveal mechanisms of adaptive motor control in walking Drosophila (pol. Miniaturowe bieżnie liniowe i z dzielonym pasem ujawniają mechanizmy adaptacyjnej kontroli motorycznej u chodzącej Drosophila), Current Biology (2024). DOI: 10.1016/j.cub.2024.08.006

źródło: Current Biology | Phys.org