Les dispositifs de micro-ingénierie permettent de

Nature Communications volume 13, Numéro d'article : 5006 (2022) Citer cet article

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La dynamique et la connectivité des circuits neuronaux changent continuellement sur des échelles de temps allant de quelques millisecondes à la vie d'un animal. Par conséquent, pour comprendre les réseaux biologiques, des méthodes mini-invasives sont nécessaires pour les enregistrer de manière répétée chez les animaux en train de se comporter. Nous décrivons ici une suite de dispositifs permettant des enregistrements optiques à long terme de la corde nerveuse ventrale (VNC) adulte de Drosophila melanogaster. Ceux-ci se composent de fenêtres transparentes et numérotées pour remplacer l'exosquelette thoracique, d'implants souples pour déplacer les organes internes, d'un bras de précision pour faciliter l'implantation et d'une platine articulée pour attacher les mouches à plusieurs reprises. Pour valider et illustrer notre boîte à outils, nous (i) montrons un impact minimal sur le comportement et la survie des animaux, (ii) suivons la dégradation des terminaisons nerveuses mécanosensorielles des organes chordotonaux au fil des semaines après l'amputation de la jambe, et (iii) découvrons des vagues d'activité neuronale d'ingestion de caféine. Ainsi, notre boîte à outils d’imagerie à long terme ouvre la voie à l’étude des adaptations des circuits prémoteurs et moteurs en réponse à des blessures, à l’ingestion de médicaments, au vieillissement, à l’apprentissage et à la maladie.

Les tissus neuronaux sont remarquablement plastiques, s'adaptant aux changements d'états internes et en réponse à une exposition répétée à des signaux environnementaux saillants. En neurosciences, les études physiologiques sur des phénomènes à longue échelle, notamment la formation de la mémoire et la neurodégénérescence, reposent souvent sur la comparaison de données regroupées sur des animaux échantillonnés à plusieurs moments. Cependant, la quantification des différences entre les conditions avec cette approche souffre de variabilité interindividuelle. Ainsi, des enregistrements longitudinaux du même animal seraient idéaux pour découvrir les changements adaptatifs dans la dynamique fonctionnelle et structurelle des circuits neuronaux. Des défis techniques importants doivent être surmontés pour réaliser des études à long terme sur des animaux individuels, y compris la minimisation des agressions expérimentales.

Avec l'avènement des enregistrements neuronaux basés sur la microscopie, notamment l'imagerie calcique à deux photons1, il est devenu possible d'enregistrer de manière chronique les circuits cérébraux in vivo de manière mini-invasive en tirant parti des dispositifs chroniques. Par exemple, les technologies de fenêtre crânienne ont d’abord été développées pour étudier le néocortex de souris2 et ont depuis été améliorées pour acquérir des champs de vision d’imagerie plus grands3 et plus profonds4, ainsi que des enregistrements de plus longue durée5. Semblable aux rongeurs, l'imagerie cérébrale peut également être réalisée chez la mouche adulte comportementale, Drosophila melanogaster6,7, un organisme modèle populaire qui est (i) génétiquement traitable, (ii) possède un petit système nerveux avec beaucoup moins de neurones que les rongeurs, et ( iii) génère des comportements sociaux, de navigation et moteurs complexes8,9,10,11.

Des approches récentes ont permis des enregistrements chroniques à long terme des neurones du cerveau de la mouche12,13,14. Semblable à l’imagerie du néocortex des rongeurs avec une fenêtre crânienne15, le cerveau de la mouche peut être rendu optiquement accessible en retirant la cuticule de la capsule céphalique et les tissus sous-jacents6. Pour effectuer une imagerie à long terme ou répétée, ce trou peut ensuite être recouvert de colle durcissable aux UV13, de silicium à deux composants16 ou d'une lamelle découpée manuellement12. Cependant, les techniques et technologies utilisées pour réaliser une imagerie à long terme dans le cerveau des souris et des mouches ne conviennent pas pour enregistrer les circuits moteurs de la moelle épinière des mammifères ou de la moelle nerveuse ventrale des insectes (VNC). Comme la moelle épinière, qui est masquée par les os vertébraux, les muscles et la lame dorsale17, l'accès optique à la VNC nécessite l'ablation de plusieurs organes et tissus sus-jacents, notamment les muscles du vol, les corps adipeux, l'intestin et la trachée. Les chirurgies invasives de la moelle épinière permettent l'implantation d'une chambre18, ou d'un clamp19. Cependant, la petite taille de la mouche limite l'utilisation de dispositifs implantables conventionnels, ce qui représente un défi important pour découvrir les principes généraux du contrôle moteur grâce à l'étude du VNC expérimentalement traitable, un tissu nerveux grossièrement organisé comme la moelle épinière des mammifères20, et dont les principes de contrôle ressemblent à ceux trouvés chez les vertébrés21,22.