マイクロエンジニアリングされたデバイスにより、長期間の使用が可能になります

Nature Communications volume 13、記事番号: 5006 (2022) この記事を引用

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メトリクスの詳細

神経回路のダイナミクスと接続性は、ミリ秒から動物の生涯にわたるタイムスケールで継続的に変化します。 したがって、生物学的ネットワークを理解するには、行動する動物の生物学的ネットワークを繰り返し記録する、侵襲性を最小限に抑えた方法が必要です。 ここでは、成体キイロショウジョウバエの腹側神経索 (VNC) の長期光学記録を可能にする一連のデバイスについて説明します。 これらは、胸部外骨格を置換するための番号が付けられた透明な窓、内臓を移動させるためのコンプライアントインプラント、移植を補助するための精密アーム、およびハエを繰り返し繋ぎ止めるためのヒンジ付きステージで構成されています。 私たちのツールキットを検証し説明するために、(i) 動物の行動と生存に対する最小限の影響を示し、(ii) 脚切断後の数週間にわたる弦音器官の機械感覚神経終末の劣化を追跡し、(iii) カフェイン摂取による神経活動の波を明らかにします。 したがって、当社の長期イメージング ツールキットは、損傷、薬物摂取、老化、学習、疾患に応じた運動前および運動回路の適応の研究を可能にします。

神経組織は非常に可塑性があり、内部状態の変化に適応し、顕著な環境信号に繰り返しさらされることに応答します。 神経科学では、記憶形成や神経変性などの長いタイムスケールの現象の生理学的研究は、多くの場合、複数の時点でサンプリングされた動物間でプールされたデータの比較に依存してきました。 ただし、このアプローチで条件間の差異を定量化するには、個人間のばらつきが伴います。 したがって、同じ動物の長期記録は、神経回路の機能的および構造的ダイナミクスの適応変化を明らかにするのに理想的です。 個々の動物で長期研究を行うには、実験的損傷を最小限に抑えるなど、重要な技術的課題を克服する必要があります。

顕微鏡ベースの神経記録、特に二光子カルシウムイメージング 1 の出現により、慢性デバイスを活用することで低侵襲な方法で生体内で脳回路を慢性的に記録することが可能になりました。 たとえば、頭蓋窓技術は最初マウス新皮質 2 を研究するために開発され、その後、より大きく 3 より深い 4 撮像視野と、より長時間の記録を取得できるように改良されました 5。 げっ歯類と同様に、脳イメージングは​​、行動する成虫のハエであるキイロキイロキイロショウジョウバエでも行うことができます6,7。このモデル生物は、(i) 遺伝的に扱いやすく、(ii) げっ歯類よりもニューロンがはるかに少ない小さな神経系を持ち、( iii) 複雑な社会的行動、ナビゲーション行動、および運動行動を生成します8、9、10、11。

最近のアプローチにより、ハエの脳のニューロンの長期にわたる慢性的な記録が可能になりました12、13、14。 頭蓋窓を使って齧歯動物の新皮質を画像化するのと同様に、ハエの脳は、頭嚢の表皮とその下にある組織を除去することによって光学的にアクセスできるようにすることができます6。 長期間または繰り返しのイメージングを実行するには、この穴を UV 硬化性接着剤 13、2 成分シリコン 16、または手動でカットしたカバーガラス 12 で覆うことができます。 しかし、マウスやハエの脳の長期イメージングに使用される技術や技術は、哺乳類の脊髄や昆虫の腹側神経索（VNC）の運動回路を記録するのには適していません。 椎骨、筋肉、背板で覆われている脊髄と同様に、VNC に光学的にアクセスするには、飛翔筋、脂肪体、腸、気管など、上にある複数の臓器や組織を除去する必要があります。 脊髄の侵襲的手術では、チャンバー 18 またはクランプ 19 の移植が可能です。 しかし、ハエのサイズが小さいため、従来の埋め込み型デバイスの使用は制限されており、実験的に扱いやすいVNC（哺乳類の脊髄のように粗く組織化された神経組織）の研究を通じて運動制御の一般原理を解明するという重要な課題となっている20。その制御原理は脊椎動物で見られるものと似ています 21,22。