NeuroMechFly: Mô hình cơ sinh học thực tế về hình thái của một con ruồi

NeuroMechFly, “song sinh kỹ thuật số” chính xác đầu tiên của ruồi Drosophila melanogaster , cung cấp một cơ sở thử nghiệm có giá trị cao cho các nghiên cứu nâng cao cơ sinh học và khí tượng học. Điều này có thể giúp mở đường cho các robot giống ruồi, chẳng hạn như robot được minh họa ở đây. Tín dụng: EPFL

Một đôi kỹ thuật số của Drosophila

Giáo sư Pavan Ramdya tại Trường Khoa học Đời sống tại Ecole Polytechnique Fédérale de Lausanne (EPFL) cho biết: “Chúng tôi đã sử dụng hai loại dữ liệu để xây dựng NeuroMechFly. “Đầu tiên, chúng tôi bay thật và chụp CT để xây dựng một mô hình cơ sinh học thực tế về mặt hình thái. Nguồn dữ liệu thứ hai là chuyển động chân tay thực của con ruồi, thu được bằng phần mềm ước tính tư thế mà chúng tôi đã phát triển trong vài năm qua cho phép chúng tôi theo dõi chính xác chuyển động của con vật. “

Nhóm của Ramdya, làm việc với nhóm của Giáo sư Auke Ijspeert tại Phòng thí nghiệm Sinh học của EPFL, sẽ xuất bản một bài báo vào ngày hôm nay (11 tháng 5 năm 2022) trên tạp chí Nature Method giới thiệu “cặp song sinh kỹ thuật số” đầu tiên chính xác của loài ruồi Drosophila melanogaster , được đặt tên là “NeuroMechFly . ”

Thời gian trôi nhanh

Drosophila là loài côn trùng được sử dụng phổ biến nhất trong khoa học đời sống và là trọng tâm lâu dài của nghiên cứu riêng của Ramdya, người đã nghiên cứu kỹ thuật số theo dõi và mô hình hóa loài vật này trong nhiều năm. Vào năm 2019, nhóm của anh ấy đã xuất bản DeepFly3D , một phần mềm ghi lại chuyển động dựa trên công nghệ học sâu sử dụng nhiều chế độ xem camera để định lượng các chuyển động của Drosophila trong không gian ba chiều.

Tiếp tục nghiên cứu sâu, vào năm 2021 , nhóm của Ramdya đã xuất bản LiftPose3D , một phương pháp tái tạo lại tư thế động vật 3D từ hình ảnh 2D được chụp từ một máy ảnh duy nhất. Những loại đột phá này đã cung cấp cho các lĩnh vực khoa học thần kinh và người máy lấy cảm hứng từ động vật đang bùng nổ những công cụ mà tính hữu dụng của chúng không thể được phóng đại.

Một mô hình kỹ thuật số của Drosophila melanogaster được gọi là NeuroMechFly. Tín dụng: Pavan Ramdya (EPFL)

Theo nhiều cách, NeuroMechFly đại diện cho đỉnh cao của tất cả những nỗ lực đó. Được giới hạn bởi dữ liệu hình thái học và động học từ những nghiên cứu trước đây, mô hình có các bộ phận tính toán độc lập mô phỏng các bộ phận khác nhau của cơ thể côn trùng. Điều này bao gồm một bộ xương ngoài cơ sinh học với các bộ phận cơ thể khớp nối, chẳng hạn như đầu, chân, cánh, các đoạn bụng, vòi, râu, dây cung (các cơ quan giúp ruồi tự đo định hướng khi bay) và mạng thần kinh “bộ điều khiển” với đầu ra động cơ .

Tại sao phải xây dựng một cặp song sinh kỹ thuật số của Drosophila ?

“Làm sao chúng ta biết khi nào chúng ta đã hiểu một hệ thống?” Ramdya nói. “Một cách là có thể tạo lại nó. Chúng ta có thể cố gắng tạo ra một con ruồi robot, nhưng việc chế tạo một con vật mô phỏng sẽ nhanh hơn và dễ dàng hơn nhiều. Vì vậy, một trong những động lực chính đằng sau công trình này là bắt đầu xây dựng một mô hình tích hợp những gì chúng ta biết về hệ thần kinh và cơ sinh học của ruồi để kiểm tra xem nó có đủ để giải thích hành vi của nó hay không ”.

“Khi chúng tôi thực hiện các thí nghiệm, chúng tôi thường bị thúc đẩy bởi các giả thuyết,” ông nói thêm. “Cho đến nay, chúng tôi đã dựa vào trực giác và logic để hình thành các giả thuyết và dự đoán. Nhưng khi khoa học thần kinh ngày càng trở nên phức tạp, chúng tôi dựa nhiều hơn vào các mô hình có thể kết hợp nhiều thành phần đan xen với nhau, phát huy chúng và dự đoán điều gì có thể xảy ra nếu bạn thực hiện một chỉnh sửa ở đây hoặc ở đó. “

Thử nghiệm

NeuroMechFly cung cấp một thử nghiệm có giá trị cao cho các nghiên cứu nâng cao cơ học sinh học và khí tượng học, nhưng chỉ trong chừng mực nó đại diện chính xác cho động vật thực trong môi trường kỹ thuật số. Xác minh điều này là một trong những mối quan tâm chính của các nhà nghiên cứu. Ramdya nói: “Chúng tôi đã thực hiện các thí nghiệm xác nhận để chứng minh rằng chúng tôi có thể tái tạo chặt chẽ các hành vi của động vật thật.

Các nhà nghiên cứu lần đầu tiên thực hiện các phép đo 3D về những con ruồi thực sự đi bộ và chải chuốt. Sau đó, họ diễn lại những hành vi đó bằng cách sử dụng bộ xương ngoài cơ sinh học của NeuroMechFly bên trong môi trường mô phỏng dựa trên vật lý.

Jonathan Arreguit, Victor Lobato Ríos, Auke Ijspeert, Pavan Ramdya, Shravan Tata Ramalingasetty và Gizem Özdil. Tín dụng: Alain Herzog (EPFL)

Như chúng hiển thị trong bài báo, mô hình thực sự có thể dự đoán các thông số chuyển động khác nhau không thể đo được, chẳng hạn như mômen của chân và phản lực tiếp xúc với mặt đất. Cuối cùng, họ đã có thể sử dụng các khả năng cơ học thần kinh đầy đủ của NeuroMechFly để khám phá mạng lưới thần kinh và các thông số cơ cho phép con ruồi “chạy” theo những cách được tối ưu hóa cho cả tốc độ và sự ổn định.

Ramdya nói: “Những nghiên cứu điển hình này đã xây dựng niềm tin của chúng tôi vào mô hình này. “Nhưng chúng tôi quan tâm nhất đến thời điểm mô phỏng không tái tạo được hành vi của động vật, chỉ ra cách cải thiện mô hình.” Do đó, NeuroMechFly đại diện cho một thử nghiệm mạnh mẽ để xây dựng sự hiểu biết về cách các hành vi xuất hiện từ sự tương tác giữa các hệ thống cơ thần kinh phức tạp và môi trường xung quanh vật chất của chúng.

Một nỗ lực của cộng đồng

Ramdya nhấn mạnh rằng NeuroMechFly đã, đang và sẽ tiếp tục là một dự án cộng đồng. Do đó, phần mềm là mã nguồn mở và có sẵn miễn phí cho các nhà khoa học sử dụng và sửa đổi. “Chúng tôi đã xây dựng một công cụ, không chỉ cho chúng tôi mà còn cho những người khác. Do đó, chúng tôi đã đặt nó thành mã nguồn mở và mô-đun, đồng thời cung cấp các hướng dẫn về cách sử dụng và sửa đổi nó. ”

Ông nói thêm: “Ngày càng có nhiều tiến bộ trong khoa học phụ thuộc vào nỗ lực của cộng đồng. Điều quan trọng là cộng đồng phải sử dụng mô hình và cải thiện nó. Nhưng một trong những điều NeuroMechFly đã làm là nâng cao tiêu chuẩn. Trước đây, vì các mô hình không thực tế cho lắm, chúng tôi không hỏi làm thế nào chúng có thể được thông tin trực tiếp bằng dữ liệu. Ở đây chúng tôi đã chỉ ra cách bạn có thể làm điều đó; bạn có thể lấy mô hình này, phát lại các hành vi và suy ra thông tin có ý nghĩa. Vì vậy, đây, tôi nghĩ, là một bước tiến lớn ”.

Tham khảo: “NeuroMechFly, một mô hình cơ học thần kinh của Drosophila melanogaster trưởng thành” của Victor Lobato Ríos, Shravan Tata Ramalingasetty, Pembe Gizem Özdil, Jonathan Arreguit, Auke Jan Ijspeert và Pavan Ramdya, 11 tháng 5 năm 2022, Phương pháp Tự nhiên .
DOI: 10.1038 / s41592-022-01466-7

Theo Scitechdaily