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 vão desde milissegundos até a vida de um animal. Portanto, para entender as redes biológicas, são necessários métodos minimamente invasivos para registrá-los repetidamente em animais se comportando. Aqui descrevemos um conjunto de dispositivos que permitem gravações ópticas de longo prazo do cordão nervoso ventral Drosophila melanogaster adulto (VNC). Estes consistem em janelas transparentes e numeradas para substituir o exoesqueleto torácico, implantes complacentes para deslocar órgãos internos, um braço de precisão para auxiliar a implantação e um estágio articulado para amarrar moscas repetidamente. Para validar e ilustrar nosso kit de ferramentas, (i) mostramos um impacto mínimo no comportamento e na sobrevivência dos animais, (ii) acompanhamos a degradação dos terminais nervosos mecanossensoriais do órgão cordotonal ao longo de 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 das adaptações pré-motoras e do circuito motor em resposta a lesões, ingestão de drogas, envelhecimento, aprendizado e doenças.

Os tecidos neurais são notavelmente plásticos, adaptando-se a mudanças nos estados internos e em resposta à exposição repetida a sinais ambientais salientes. Em neurociência, estudos fisiológicos de fenômenos de longa escala de tempo, incluindo formação de memória e neurodegeneração, frequentemente se baseiam na comparação de dados agrupados em animais amostrados em vários pontos no tempo. No entanto, quantificar diferenças entre condições com essa abordagem sofre de variabilidade interindividual. Assim, gravações longitudinais do mesmo animal seriam ideais para revelar mudanças adaptativas na dinâmica funcional e estrutural dos circuitos neurais. Desafios técnicos importantes devem ser superados para realizar estudos de longo prazo em animais individuais, incluindo a minimização de insultos experimentais.

Com o advento das gravações neurais baseadas em microscopia, principalmente imagens de cálcio de dois fótons1, 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 pela primeira vez para estudar o neocórtex de camundongos2 e, desde então, foram aprimoradas para adquirir campos de visão de imagem maiores3 e mais profundos4, 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 pequeno sistema nervoso com muito menos neurônios do que os roedores e ( iii) gera comportamentos sociais, de navegação e motores complexos8,9,10,11.

Abordagens recentes permitiram registros crônicos de longo prazo de neurônios no cérebro da mosca12,13,14. Semelhante à imagem do neocórtex de roedores com uma janela craniana15, o cérebro da mosca pode se tornar opticamente acessível removendo a cutícula da cápsula cefálica e os tecidos subjacentes6. Para realizar imagens repetidas ou de longo prazo, esse orifício pode ser coberto com cola curável por UV13, silicone de dois componentes16 ou lamela cortada manualmente12. No entanto, as técnicas e tecnologias usadas para realizar imagens de longo prazo nos cérebros de camundongos e moscas não são adequadas para registrar circuitos motores na medula espinhal de mamíferos ou no cordão nervoso ventral de insetos (VNC). Como a medula espinhal, que é obscurecida por ossos vertebrais, músculos e lâmina dorsal17, o acesso óptico ao VNC requer a remoção de vários órgãos e tecidos sobrejacentes, incluindo músculos de vôo, corpos gordurosos, intestino e traqueia. As 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 importante desafio para desvendar os princípios gerais para o controle motor por meio da investigação do VNC tratável experimentalmente - um tecido nervoso grosseiramente organizado como a medula espinhal dos mamíferos20, e cujos princípios de controle se assemelham aos encontrados em vertebrados21,22.