미니어처 러닝머신, 곤충의 걷기 연구 가속화

미니어처 러닝머신을 걷는 초파리를 통해 과학자들은 신경계가 어떻게 동물이 예측 불가능하고 복잡한 세상에서 움직일 수 있는지 알아낼 수 있었습니다.

이 초파리 크기의 러닝머신을 사용한 통찰력은 8월 30일 Cell Press 저널인 Current Biology 에 보고되었습니다 . 러닝머신에서 달리는 파리의 여러 영상은 온라인 연구 논문에서 볼 수 있습니다. 주저자는 시애틀에 있는 워싱턴 대학교 의과대학의 생리학 및 생물물리학 박사 학위를 최근 취득한 Brandon G. Pratt이며, National Science Foundation Graduate Research Fellow입니다.

그는 UW 기계공학과 동문인 맥스 마우어의 프로토타입을 기반으로 저렴한 부품으로 소규모 기계를 설계했습니다.

프랫과 그의 연구 동료들은 곤충과 사람을 포함한 걷는 동물은 발 밑의 예상치 못한 변화를 인식하고 신속하게 처리해야 한다고 설명했습니다. 동물이 그렇게 할 수 없다면 세상을 탐색하는 것은 거의 불가능할 것이고 넘어져 다칠 가능성이 높을 것입니다.

신경계는 이러한 예상치 못한 사건을 어떻게 감지하고 운동 중에 균형을 회복하도록 신체를 제어할까요? 그 질문은 UW 생리학 및 생물물리학과의 John Tuthill 연구실에서 탐구되고 있습니다. Tuthill은 준교수이고 Pratt는 박사 연구를 수행했습니다. 연구실 동료인 Su-Yee J. Lee와 Grant M. Chou도 이 프로젝트에 기여했습니다.

투트힐의 연구실은 고유 감각을 연구합니다. 신체가 관절과 움직임을 지속적으로 감지하는 방식입니다. 질병, 부상 및 기타 요인은 사람과 동물이 신체를 조정하는 능력을 방해하고 물 한 잔을 잡거나 몇 걸음 걷는 것과 같은 간단한 작업을 방해할 수 있습니다.

운동 중에 몸이 균형을 잃었을 때 고유 감각이 어떻게 신체를 제어하는지 조사하는 것은 신경과학자들에게 근본적인 도전입니다. 고유 감각에 대한 실험적 혼란은 동물의 행동을 억제하여 걷기와 같은 자연스러운 활동에서 고유 감각의 역할을 조사하려는 노력을 혼란스럽게 할 수 있습니다.

역사적으로, 러닝머신은 신경계의 교란 후 동물의 걷기 욕구를 효과적으로 되살렸습니다. 러닝머신은 바퀴벌레와 대벌레와 같은 무척추동물(척추가 없는 동물)과 설치류, 고양이, 인간과 같은 척추동물의 걷기와 달리기에 대한 신경 제어에 대한 통찰력을 제공하는 데 도움이 되었습니다.

분할 벨트 러닝머신에는 독립적으로 움직이는 두 개의 벨트가 있습니다. 연구자들은 이를 사용하여 신체 왼쪽의 다리가 오른쪽의 다리와 다른 속도로 움직일 때 다리 사이의 조정이 어떻게 적응하는지 조사합니다. 이러한 러닝머신은 뇌졸중 환자를 평가하는 데 임상적 역할을 했습니다.

두 가지 유형의 러닝머신 시스템은 모두 Tuthill 연구실의 연구자들이 과일파리의 운동을 연구하기 위해 미니어처 버전을 제작하도록 영감을 주었습니다. 이 작은 생물들은 컴팩트하고 완벽하게 매핑된 신경계를 가지고 있기 때문에 운동의 신경 제어를 연구하기에 좋은 모델 시스템입니다. 게다가, 유전적 도구 모음을 통해 과학자들은 파리 신경계를 정확하고 구체적으로 조작할 수 있습니다.

Tuthill 연구실의 선형 러닝머신 시스템은 파리가 걷도록 강요하고 장기적인 3D 추적을 가능하게 합니다. 연구자들은 고유 감각이 손상된 파리와 손상된 파리의 다양한 속도에 따른 걷기를 분석할 수 있었습니다.

러닝머신에서 파리는 터져나가며 러닝머신 챔버 앞으로 달려간 다음 벨트를 타고 뒤로 갔습니다. 파리는 거의 절반의 시간을 걷는 데 보냈습니다. 벨트가 빨라지면 파리도 빨라졌습니다. 인간과 바퀴벌레와 마찬가지로 파리는 더 빨리 걸을수록 키가 커졌습니다. 연구자들은 러닝머신을 실험에 사용하여 과일파리에 대해 보고된 가장 빠른 보행 속도를 얻었습니다.

연구자들은 "그들은 초당 50밀리미터의 순간 보행 속도를 넘어설 수 있었다"고 언급했습니다.

연구자들은 또한 고유 감각의 기저에 있는 신경 세포를 유전적으로 침묵시키고 곤충을 선형 러닝머신에서 돌렸습니다. 이 감각적 피드백이 없으면 파리는 더 적은 걸음을 내딛지만 더 큰 걸음을 내딛었습니다. 놀랍게도 다리의 조정은 영향을 받지 않는 것으로 보였습니다. 아마도 다른 고유 감각 신경 세포가 걷기를 조정하는 데 더 중요하거나 신경계가 피드백 부족을 보상했을 수 있기 때문일 것입니다.

과학자들은 분할 벨트 러닝머신이 다리 사이의 협응에 거의 영향을 미치지 않는다는 것을 발견했습니다. 그러나 파리는 두 벨트가 다른 속도로 움직일 때 중간 다리의 걸음 거리를 크게 변경했습니다. 연구자들은 파리가 회전 교란이 있는 상황에서도 똑바로 걷기 위해 걸음을 바꾼다고 제안합니다.

연구자들은 "가운데 다리는 마치 배를 중앙에서 저어주는 것처럼 파리의 몸을 질량 중심을 중심으로 안정적으로 회전시키는 데 이상적인 위치에 있습니다."라고 설명했습니다.

과학자들은 "이러한 통찰력은 러닝머신이 파리 운동의 신경 및 행동 메커니즘을 조사하기 위해 자유보행과 고정된 준비 사이의 중요한 격차를 어떻게 메우는지 보여줍니다."라고 언급했습니다.

연구자들은 이 소형 러닝머신 시스템의 소프트웨어와 하드웨어 설계를 동료 과학자들에게 무료 오픈 소스로 제공했습니다.

이 연구는 National Science Foundation Graduate Research Fellowship 2018261272, National Institutes of Health Grants T32 NS 99578-3, R01NS102333, U19NS104655, Searle Scholar Award, Klingenstein-Simons Fellowship, Pew Biomedical Scholar Award, McKnight Scholar Award, Sloan Research Fellowship, New York Stem Cell Foundation, UW Innovation Award의 지원을 받았습니다. Tuthill은 New York Stem Cell Foundation Robertson Investigator입니다.

출처: https://www.sciencedaily.com/releases/2024/09/240904184511.htm