Ce n'est pas parce qu'un animal est doux et spongieux qu'il n'est pas dur. Des expériences à l'Université Rice montrent que l'humble hydre est un bon exemple.

L'hydre ne semble pas vieillir – et ne meurt apparemment jamais de vieillesse. Si vous coupez un en deux, vous obtenez des hydres. Et chacun peut manger des animaux deux fois sa taille.

Ces bestioles sont des survivants, et cela les rend dignes d'étude, selon l'ingénieur électricien et informaticien Rice Jacob Robinson.

Robinson et son équipe ont développé des méthodes pour enfermer les minuscules, des hydres ressemblant à des calmars et effectuer la première caractérisation complète des relations entre l'activité neuronale et les mouvements musculaires chez ces créatures. Leurs résultats sont publiés dans la revue Lab on a Chip de la Royal Society of Chemistry.

Les chercheurs ont utilisé plusieurs méthodes pour révéler les schémas neuronaux de base qui régissent les activités de l'hydra vulgaris d'eau douce :ils ont immobilisé les animaux dans des zones étroites, passages chargés d'aiguilles, les a déposés dans des arènes d'environ un dixième de la taille d'un centime et les a laissés explorer de grands espaces. Ils s'attendent à ce que leur analyse les aide à identifier des modèles qui ont été conservés par l'évolution dans des architectures cérébrales plus larges.

Robinson est un neuro-ingénieur avec une expertise en microfluidique, la manipulation des fluides et de leur contenu à petite échelle. Son laboratoire a développé une gamme de systèmes à base de puces qui permettent aux scientifiques de contrôler les mouvements et même de séquestrer des systèmes biologiques - cellules et petits animaux - pour les étudier de près et sur de longues périodes.

Le laboratoire a étudié tout ce qui précède avec sa coutume, systèmes de microfluidique à haut débit, avec des vers représentant la partie "animale".

Mais les hydres, qui culminent à environ un demi-centimètre de long, viennent dans différentes tailles et changent leurs formes à volonté. Cela a posé des défis particuliers aux ingénieurs.

"C. elegans (vers ronds) et les hydres ont des similitudes, " a déclaré Robinson. " Ils sont petits et transparents et ont relativement peu de neurones, et cela permet d'observer plus facilement l'activité de chaque cellule du cerveau en même temps.

"Mais il y a d'énormes différences biologiques, " dit-il. " Le ver a exactement 302 neurones, et nous savons exactement comment c'est câblé. Les hydres peuvent grandir et rétrécir. Ils peuvent être coupés en morceaux et former de nouveaux animaux, donc le nombre de neurones à l'intérieur peut changer par des facteurs de 10.

"Cela signifie qu'il y a une différence fondamentale dans la neurobiologie des animaux :là où le ver doit avoir un circuit exact, les hydres peuvent avoir un nombre quelconque de circuits, se réorganiser de différentes manières tout en ayant des comportements relativement similaires. Cela les rend vraiment amusants à étudier."

La plate-forme de microfluidique permet au laboratoire de séquestrer une seule hydre jusqu'à 10 heures pour étudier l'activité neurologique au cours de comportements distincts tels que la colonne corporelle et la contraction des tentacules, flexion et translocation. Certaines des hydres étaient sauvages, tandis que d'autres ont été modifiés pour exprimer des protéines fluorescentes ou autres. Parce que la meilleure façon de caractériser une hydre est de l'observer pendant environ une semaine, le laboratoire construit une gamme de puces microfluidiques chargées de caméras pour produire des films en accéléré de jusqu'à 100 animaux à la fois.

« Si vous les regardez à l'œil nu, ils sont juste assis là, " dit Robinson. " Ils sont un peu ennuyeux. Mais si vous accélérez les choses avec l'imagerie accélérée, ils exécutent toutes sortes de comportements intéressants. Ils échantillonnent leur environnement; ils font des allers-retours."

Les tests d'électrophysiologie ont été rendus possibles grâce au développement par le laboratoire des Nano-SPEAR, sondes microscopiques qui mesurent l'activité électrique dans les cellules individuelles de petits animaux. Les aiguilles partent du centre du dispositif de capture en forme de sablier et pénètrent dans les cellules d'une hydre sans causer de dommages permanents à l'animal.

Nano-SPEARS ne semble pas mesurer l'activité des neurones à l'intérieur de l'animal, les chercheurs ont donc utilisé des protéines sensibles au calcium pour déclencher des signaux fluorescents dans les cellules de l'hydre et ont produit des films en accéléré dans lesquels les neurones s'illuminaient lorsqu'ils se contractaient. "Nous utilisons le calcium comme indicateur de l'activité électrique à l'intérieur de la cellule, " dit Robinson. " Quand une cellule devient active, le potentiel électrique à travers sa membrane change. Les canaux ioniques s'ouvrent et permettent au calcium d'entrer." Avec cette approche, le laboratoire a pu identifier les schémas d'activité neuronale qui ont entraîné les contractions musculaires.

"L'imagerie calcique nous donne une résolution spatiale, donc je sais où les cellules sont actives, " dit-il. " C'est important pour comprendre comment fonctionne le cerveau de cet organisme. "

Manipuler les hydres est une compétence acquise, selon l'étudiant diplômé et auteur principal Krishna Badhiwala. "Si vous les manipulez avec des pipettes, ils sont vraiment faciles, mais ils s'en tiennent à à peu près n'importe quoi, " elle a dit.

"C'est un peu difficile de les insérer dans la microfluidique parce qu'ils ne sont en réalité qu'un corps épais de deux couches de cellules, " Badhiwala a déclaré. "Vous pouvez imaginer qu'ils soient facilement déchiquetés. Nous sommes finalement arrivés au point où nous sommes vraiment bons pour les insérer sans trop les endommager. Cela demande juste de la dextérité et de la stabilité."

Avec cette étude et les futures études, l'équipe espère relier l'activité neuronale et la réponse musculaire pour en savoir plus sur des connexions similaires chez d'autres membres du règne animal.

"C. elegans, la drosophile (mouches des fruits), les rats, les souris et les humains sont des bilatériens, " a déclaré Robinson. "Nous avons tous une symétrie bilatérale. Cela signifie que nous avons partagé un ancêtre commun, il y a des centaines de millions d'années. Les hydres appartiennent à un autre groupe d'animaux appelés cnidaires, qui sont radialement symétriques. Ce sont des choses comme les méduses, et ils ont un ancêtre plus éloigné.

"Mais les hydres et les humains partageaient un ancêtre commun qui, selon nous, était le premier animal à avoir des neurones, " dit-il. " De cet ancêtre sont venus tous les systèmes nerveux que nous voyons aujourd'hui.

"En regardant des organismes dans différentes parties de l'arbre phylogénétique, nous pouvons penser à ce qui est commun à tous les animaux ayant un système nerveux. Pourquoi avons-nous un système nerveux ? À quoi ça sert? Quelles sont les choses qu'une hydre peut faire que les vers et les humains peuvent aussi faire ? Quelles sont les choses qu'ils ne peuvent pas faire ?

"Ce genre de questions nous aidera à comprendre comment nous avons fait évoluer le système nerveux que nous avons, ", a déclaré Robinson.

Les co-auteurs sont les étudiants diplômés de Rice Daniel Gonzales et Benjamin Avants et l'ancien élève Daniel Vercosa, maintenant ingénieur chez Intel Corp. Robinson est professeur adjoint de génie électrique et informatique.