Bridging fast volumetric imaging and mechanical stimulation: a platform for studying mechanosensitive neurons functionality onset in C. elegans embryos

Abstract

(English) In Caenorhabditis elegans, the embryo develops within the protective confines of an eggshell, shielded from direct interactions with the outside world. In this isolated environment, neuronal mechanosensory circuits, responsible for translating physical forces into biochemical signals, are among the first to emerge during development. While their primary function is to mediate interactions with the external mechanical world, they also play a significant role in broader physiological and behavioral processes, including synaptic plasticity and social bonding. C. elegans neurons responsible for the sense of touch arise very early during embryogenesis, long before any physical interaction, raising the question: when does the nervous system first awaken to the mechanical world it has yet to experience? Unraveling the onsets of mechanosensation has critical implications for neuroscience and human health, as its dysregulation is linked to various diseases and neurodevelopmental disorders. For example, studies on mouse models of autism spectrum disorder (ASD) have demonstrated that the timing of mechanosensory disruptions during embryogenesis plays a pivotal role in determining the severity of the condition. Despite its importance, our understanding of when mechanosensitivity first emerges remains limited, also due to the practical and ethical challenges of studying the application of mechanical forces to developing neural systems. To address these challenges, the goal of this project was to develop a multifunctional experimental platform that combines precision mechanical stimulation with live volumetric imaging, enabling the investigation of induced calcium signals in the developing neural system of C. elegans embryos. Central to this platform is a custom open-top light sheet fluorescence microscope, optimized for fast, 3D imaging of calcium dynamics. The imaging unit is integrated with a fiber-optic-based nanoindenter, which provides precise force application and quantitative characterization of the mechanical properties of the sample. This setup allows for controlled mechanical stimulation while capturing real-time neuronal activity, facilitating the analysis of how and when external forces influence mechanosensory circuits during critical developmental stages. Using this platform, we conducted proof-of-concept experiments to explore mechanosensory responses in C. elegans embryos. These studies validated the system's ability to trigger and record precise neuronal activity, demonstrating its experimental effectiveness. Preliminary findings suggest that mechanosensory functionality might begin to emerge during the late stages of embryogenesis of C. elegans embryos, offering a glimpse into the elusive timing of sensory circuits development. Overall, this work sets the stage for future investigations into how these circuits awaken and their vital role in early neural development.

(Català) A Caenorhabditis elegans, l'embrió es desenvolupa dins la a protecció d'una closca, blindat de les interaccions directes amb el món exterior. En aquest entorn aïllat, els circuits neuronals mecanosensorials, responsables de traduir forces físiques en senyals bioquímic, són dels primers a aparèixer durant el desenvolupament. A més de coordinar la comunicació de l’organisme amb el món mecànic extern, el sentit del tacte és fonamental per a la vinculació social i la plasticitat sinàptica. A C. elegans, les neurones responsables del sentit del tacte s’originen molt aviat durant l’embriogènesi, molt abans d'estar exposades al contacte físic, fet que planteja la pregunta: quan desperta el sistema nerviós al món mecànic que encara no ha experimentat? Desentranyar l'inici de la mecanosensibilitat té implicacions crítiques per a la neurociència i la salut humana, ja que la seva desregulació està vinculada a diverses malalties i trastorns del neurodesenvolupament. Per exemple, els estudis sobre models de ratolí del trastorn de l'espectre autista (TEA) han demostrat que el moment en què es produeixen alteracions en la mecanocepció durant l’embriogènesi té un paper clau en la gravetat de la condició. Tot i la seva importància, la nostra comprensió sobre quan emergeix la mecanosensibilitat continua sent limitada, en gran part a causa dels desafiaments pràctics que suposa estudiar com les forces mecàniques modelen els sistemes neuronals en desenvolupament. Per abordar aquests desafiaments, l'objectiu d'aquest projecte ha estat desenvolupar una plataforma experimental multifuncional que integri l'estimulació mecànica de precisió amb la imatge volumètrica en temps real, permetent la investigació dels senyals de calci induïts en el sistema neuronal en desenvolupament dels embrions de C. elegans. L’element central d’aquesta plataforma és un microscopi de fluorescència de fulla de llum de disseny obert, optimitzat per a una adquisició ràpida i tridimensional de la dinàmica del calci. La unitat d'imatge està integrada amb un nanoindentador basat en fibra òptica, que proporciona una precisa aplicació de força i una caracterització quantitativa de les propietats mecàniques de la mostra. Aquesta combinació permet una estimulació mecànica controlada mentre es registra l’activitat neuronal en temps real, facilitant l'anàlisi de com i quan les forces externes influeixen en els circuits mecanosensorials durant etapes crítiques del desenvolupament. Utilitzant aquesta plataforma, vam dur a terme experiments de prova de concepte per explorar les respostes mecanosensorials en embrions de C. elegans. Aquests estudis van validar la capacitat del sistema per desencadenar i enregistrar amb precisió l'activitat neuronal. Els resultats preliminars suggereixen que la funcionalitat mecanosensorial podria començar a emergir durant les etapes tardanes de l’embriogènesi, oferint una primera visió sobre el moment en què es desenvolupen els circuits sensorials.

(Español) En Caenorhabditis elegans, el embrión se desarrolla dentro de los confines protectores de una cáscara, aislado de interacciones directas con el mundo exterior. En este entorno cerrado, los circuitos neuronales mecanosensoriales, responsables de traducir fuerzas físicas en señales bioquímicas, son de los primeros en emerger durante el desarrollo. Si bien su función principal es mediar las interacciones con el mundo mecánico externo, también desempeñan un papel clave en procesos fisiológicos y comportamentales más amplios, incluyendo la plasticidad sináptica y las relaciones sociales. Las neuronas de C. elegans responsables del sentido del tacto surgen muy temprano en la embriogénesis, mucho antes de cualquier interacción física, lo que plantea la siguiente cuestión: ¿cuándo el sistema nervioso despierta por primera vez al mundo mecánico que aún no ha experimentado? Desentrañar el origen de la mecanosensación tiene importantes implicaciones para la neurociencia y la salud humana, ya que su desregulación está vinculada a diversas enfermedades y trastornos del neurodesarrollo. Por ejemplo, estudios en modelos murinos de trastorno del espectro autista (TEA) han demostrado que el momento en el que se producen alteraciones mecanosensoriales durante la embriogénesis es un factor determinante en la gravedad de la condición. A pesar de su relevancia, nuestra comprensión sobre el inicio de la mecanosensibilidad sigue siendo limitada, en parte debido a los desafíos prácticos y éticos asociados con el estudio de la aplicación de fuerzas mecánicas a sistemas neuronales en desarrollo. Para abordar estos desafíos, el objetivo de este proyecto fue desarrollar una plataforma experimental multifuncional que combina estimulación mecánica de alta precisión con imagen volumétrica en vivo, permitiendo la investigación de señales de calcio inducidas en el sistema neuronal en desarrollo de embriones de C. elegans. En el núcleo de esta plataforma se encuentra un microscopio de fluorescencia de hoja de luz de diseño "abierto", optimizado para la captura rápida de imágenes tridimensionales de la dinámica del calcio. La unidad de imagen está integrada con un nanoindentador basado en fibra óptica, que permite la aplicación de fuerzas con alta precisión y la caracterización cuantitativa de las propiedades mecánicas de la muestra. Este sistema posibilita la estimulación mecánica controlada mientras se registra en tiempo real la actividad neuronal, facilitando el análisis de cómo y cuándo las fuerzas externas influyen en los circuitos mecanosensoriales en etapas críticas del desarrollo. Utilizando esta plataforma, realizamos experimentos de prueba de concepto para explorar las respuestas mecanosensoriales en embriones de C. elegans. Estos estudios validaron la capacidad del sistema para activar y registrar con precisión la actividad neuronal, demostrando su eficacia experimental. Los hallazgos preliminares sugieren que la funcionalidad mecanosensorial podría comenzar a emerger en las etapas finales de la embriogénesis de C. elegans, ofreciendo una primera visión sobre el enigmático momento en que se desarrollan los circuitos sensoriales.