То, что животное мягкое и мягкое, не означает, что оно не жесткое. Эксперименты в Университете Райса показывают, что скромная гидра является хорошим примером.
Гидра не стареет и, по-видимому, никогда не умирает от старости. Если вы разрежете один из двух, вы получите гидру. И каждый из них может есть животных, вдвое превышающих его по размеру.
Эти звери выжили, и это делает их достойными изучения, по словам инженера-электрика и компьютерщика Райса Джейкоба Робинсона.
Робинсон и его команда разработали методы содержания в загоне крошечных, похожих на кальмаров гидр, и выполнили первую всестороннюю характеристику взаимосвязей между нервной активностью и движениями мышц у этих существ. Их результаты опубликованы в журнале Королевского химического общества Lab on a Chip.
Исследователи использовали несколько методов, чтобы выявить основные нейронные паттерны, управляющие деятельностью пресноводной гидры обыкновенной: они обездвиживали животных в узких, усеянных иглами проходах, бросали их на арены размером примерно в одну десятую десятицентовой монеты. и пусть они исследуют широко открытые пространства. Они надеются, что их анализ поможет им выявить закономерности, законсервированные эволюцией в более крупных структурах мозга.
Робинсон - нейроинженер, специализирующийся на микрофлюидике, манипулировании жидкостями и их содержимым в малых масштабах. Его лаборатория разработала множество систем на основе чипов, которые позволяют ученым контролировать движения и даже изолировать биологические системы - клетки и мелких животных - для изучения их вблизи и в течение длительного периода времени.
Лаборатория изучила все вышеперечисленное с помощью своих специализированных высокопроизводительных систем микрофлюидики, где черви представляли «животную» часть.
Но гидры, которые достигают в длину около полусантиметра, бывают разных размеров и меняют свою форму по желанию. Это создавало особые трудности для инженеров.
«C. elegans (круглые черви) и гидры имеют сходство», - сказал Робинсон. «Они маленькие, прозрачные и имеют относительно мало нейронов, что облегчает одновременное наблюдение за активностью каждой клетки мозга.
"Но существуют огромные биологические различия", сказал он. «У червя ровно 302 нейрона, и мы точно знаем, как он устроен. Гидры могут расти и уменьшаться. Их можно разрезать на части и образовывать новых животных, поэтому количество нейронов внутри может измениться в 10 раз.
"Это означает, что есть фундаментальное различие в нейробиологии животных: там, где червь должен иметь точный контур, гидра может иметь любое количество контуров, реорганизовываться по-разному и при этом вести себя относительно одинаково. Это делает их действительно интересными для изучения."
Платформа микрофлюидики позволила лаборатории изолировать одну гидру на срок до 10 часов для изучения неврологической активности во время различных поведенческих реакций, таких как сокращение тела и щупалец, сгибание и перемещение. Некоторые гидры были дикими, тогда как другие были модифицированы для экспрессии флуоресцентных или других белков. Поскольку лучший способ охарактеризовать гидру - наблюдать за ней в течение недели, лаборатория строит набор микрофлюидных чипов с камерами для создания цейтраферных видеороликов до 100 животных одновременно.
"Если вы посмотрите на них невооруженным глазом, они просто сидят там", сказал Робинсон. «Они довольно скучные. Но если вы ускорите процесс с помощью замедленной съемки, они продемонстрируют множество интересных действий.
Электрофизиологические исследования стали возможными благодаря разработке лабораторией Nano-SPEARs, микроскопических зондов, которые измеряют электрическую активность в отдельных клетках мелких животных. Иглы выходят из центра захватного устройства в форме песочных часов и проникают в клетки гидры, не причиняя животному необратимого вреда.
Nano-SPEARS, по-видимому, не измеряют активность нейронов внутри животного, поэтому исследователи использовали чувствительные к кальцию белки для запуска флуоресцентных сигналов в клетках гидры и сняли замедленные видеоролики, в которых нейроны загораются, когда они контракт. «Мы используем кальций в качестве показателя электрической активности внутри клетки», - сказал Робинсон. «Когда клетка становится активной, электрический потенциал на ее мембране меняется. Ионные каналы открываются и позволяют кальцию поступать». При таком подходе лаборатория смогла определить закономерности нейронной активности, вызывающие мышечные сокращения.
«Изображение кальция дает нам пространственное разрешение, поэтому я знаю, где активны клетки», - сказал он. «Важно понять, как работает мозг этого организма».
По словам аспиранта и ведущего автора Кришны Бадхивалы, Управление гидрой - это приобретенный навык. «Если вы держите их пипетками, они действительно просты, но они прилипают практически ко всему», - сказала она.
«Немного сложно втиснуть их в микрофлюидику, потому что на самом деле они представляют собой просто тело толщиной в два слоя клеток», - сказал Бадхивала. «Вы можете себе представить, что их легко измельчить. В конце концов мы дошли до того, что действительно хорошо вставляем их, не слишком сильно повреждая их. Это просто требует некоторой ловкости и устойчивости».
С помощью этого и будущих исследований команда надеется связать нейронную активность и мышечную реакцию, чтобы узнать об аналогичных связях у других представителей животного мира.
«C. elegans, дрозофилы (дрозофилы), крысы, мыши и люди являются билатеральными», - сказал Робинсон. «У всех нас есть двусторонняя симметрия. Это означает, что у нас был общий предок сотни миллионов лет назад. Гидры принадлежат к другой группе животных, называемых книдариями, которые радиально симметричны. Это такие существа, как медузы, и у них есть более далекий предок..
«Но гидры и люди имели общего предка, который, как мы полагаем, был первым животным, у которого были нейроны», - сказал он. «От этого предка произошли все нервные системы, которые мы видим сегодня.
Глядя на организмы в разных частях филогенетического древа, мы можем подумать о том, что общего у всех животных с нервной системой. Зачем нам нервная система? Для чего она нужна? гидра может то же, что черви и люди? Чего они не могут?
«Такого рода вопросы помогут нам понять, как мы развили нашу нервную систему», - сказал Робинсон.