Dispositivos de microengenharia permitem longos

Nature Communications volume 13, número do artigo: 5006 (2022) Citar este artigo

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A dinâmica e a conectividade dos circuitos neurais mudam continuamente em escalas de tempo que variam de milissegundos até a vida de um animal. Portanto, para compreender as redes biológicas, são necessários métodos minimamente invasivos para registrá-las repetidamente no comportamento dos animais. Aqui descrevemos um conjunto de dispositivos que permitem gravações ópticas de longo prazo do cordão nervoso ventral adulto de Drosophila melanogaster (VNC). Eles consistem em janelas transparentes e numeradas para substituir o exoesqueleto torácico, implantes compatíveis para deslocar órgãos internos, um braço de precisão para auxiliar na implantação e um estágio articulado para amarrar moscas repetidamente. Para validar e ilustrar nosso kit de ferramentas, (i) mostramos impacto mínimo no comportamento e sobrevivência animal, (ii) acompanhamos a degradação dos terminais nervosos mecanossensoriais dos órgãos cordotonais durante semanas após a amputação da perna e (iii) descobrimos ondas de atividade neural ingestão de cafeína. Assim, nosso kit de ferramentas de imagem de longo prazo abre a investigação de adaptações do circuito pré-motor e motor em resposta a lesões, ingestão de drogas, envelhecimento, aprendizagem e doenças.

Os tecidos neurais são notavelmente plásticos, adaptando-se às mudanças nos estados internos e em resposta à exposição repetida a sinais ambientais importantes. Na neurociência, os estudos fisiológicos de fenómenos de longa escala temporal, incluindo a formação de memória e a neurodegeneração, baseiam-se frequentemente na comparação de dados agrupados entre animais amostrados em vários momentos. No entanto, a quantificação das diferenças entre as condições com esta abordagem sofre de variabilidade interindividual. Assim, gravações longitudinais do mesmo animal seriam ideais para descobrir mudanças adaptativas na dinâmica funcional e estrutural dos circuitos neurais. Importantes desafios técnicos devem ser superados para realizar estudos de longo prazo em animais individuais, incluindo a minimização de insultos experimentais.

Com o advento de registros neurais baseados em microscopia, principalmente imagens de cálcio de dois fótons, tornou-se possível registrar cronicamente circuitos cerebrais in vivo de maneira minimamente invasiva, aproveitando dispositivos crônicos. Por exemplo, as tecnologias de janela craniana foram desenvolvidas inicialmente para estudar o neocórtex de camundongos e desde então foram aprimoradas para adquirir campos de visão de imagem maiores3 e mais profundos, bem como registros de maior duração5. Semelhante aos roedores, a imagem cerebral também pode ser realizada na mosca adulta comportada, Drosophila melanogaster6,7, um organismo modelo popular que é (i) geneticamente tratável, (ii) tem um sistema nervoso pequeno com muito menos neurônios que os roedores, e ( iii) gera comportamentos sociais, de navegação e motores complexos8,9,10,11.

Abordagens recentes permitiram registros crônicos de neurônios no cérebro da mosca a longo prazo . Semelhante à imagem do neocórtex de roedores com uma janela craniana15, o cérebro da mosca pode ser tornado opticamente acessível através da remoção da cutícula da cápsula cefálica e dos tecidos subjacentes6. Para realizar imagens repetidas ou de longo prazo, esse orifício pode então ser coberto com cola curável por UV13, silicone de dois componentes16 ou lamínula cortada manualmente12. No entanto, as técnicas e tecnologias utilizadas para realizar imagens de longo prazo nos cérebros de ratos e moscas não são adequadas para registrar circuitos motores na medula espinhal de mamíferos ou na medula nervosa ventral de insetos (VNC). Tal como a medula espinal, que é obscurecida por osso vertebral, músculo e lâmina dorsal17, o acesso óptico ao VNC requer a remoção de múltiplos órgãos e tecidos sobrejacentes, incluindo os músculos de vôo, corpos gordurosos, intestino e traqueia. Cirurgias invasivas na medula espinhal permitem a implantação de uma câmara18, ou pinça19. No entanto, o pequeno tamanho da mosca limita o uso de dispositivos implantáveis ​​convencionais, representando um desafio importante para descobrir princípios gerais para o controle motor através da investigação do VNC experimentalmente tratável - um tecido nervoso que é grosseiramente organizado como a medula espinhal dos mamíferos20, e cujos princípios de controle se assemelham aos encontrados em vertebrados21,22.