Naukowcy Opracowali Małe „Spinoboty” z Mięśnia Szczurzego i Tkanek Rdzenia Kręgowego

W dziwnej i ważnej dla robotyki deweloperskiej, naukowcy z Uniwersytetu Illinois w Urbana-Champaign opracowali małe „spinoboty”, które potrafią chodzić. Zasilane są one mięśniem szczurzym i tkanką rdzenia kręgowego, które znajdują się na miękkim, drukowanym hydrożelowym szkielecie.

Przed nowymi odkryciami, biologiczne roboty polegały na prostym skurczu mięśni, aby poruszać się do przodu. Dzięki użyciu rdzenia kręgowego w tych nowych robotach, mogą one chodzić z bardziej naturalnym rytmem.

Martha Gillette jest liderem badania i profesorem biologii komórkowej i rozwojowej.

„To są początki kierunku ku interaktywnym urządzeniom biologicznym, które mogą mieć zastosowanie w neuroinformatyce i medycynie restoratywnej”, powiedziała Gillette.

Odkrycia zostały opublikowane w czasopiśmie APL Bioengineering.

Tworzenie Spinobotów

Aby zbudować spinoboty, naukowcy najpierw wydrukowali małe szkielety. Miały one dwa słupki, które służyły jako nogi, a także giętką „kręgosłup”. Następnie szkielet został nasiony komórkami mięśniowymi, które wyrosły w tkankę mięśniową, a segment lędźwiowego rdzenia kręgowego został pobrany od szczura i zintegrowany z nim.

Collin Kaufman jest studentem i pierwszym autorem artykułu.

„Wybraliśmy specjalnie lędźwiowy rdzeń kręgowy, ponieważ wcześniejsze badania wykazały, że zawiera on obwody, które kontrolują alternację lewo-prawo dla dolnych kończyn podczas chodzenia”, powiedział Kaufman. „Z punktu widzenia inżynierskiego, neurony są niezbędne do napędzania coraz bardziej złożonych i skoordynowanych ruchów mięśni. Najtrudniejszym przeszkodą dla unerwienia było to, że nikt wcześniej nie hodował integralnego rdzenia kręgowego gryzonia”.

Projektowanie Metody Integracji Rdzenia Kręgowego

Naukowcy opracowali metodę w celu wyodrębnienia integralnego rdzenia kręgowego i jego hodowli, a także integracji go z robotem podczas hodowli tkanki mięśniowej i nerwowej. Podczas tego procesu musieli się upewnić, że neurony tworzą połączenia z mięśniami.

Po opracowaniu nowej metody, naukowcy zaobserwowali skurcze mięśni, które wystąpiły w spinobotach. Oznaczało to, że połączenia neuro-mięśniowe zostały utworzone, a dwa różne typy komórek komunikowały się ze sobą. Aby upewnić się, że rdzeń kręgowy funkcjonuje, co jest potrzebne do chodzenia, naukowcy użyli glutaminianu. Glutaminian jest neuroprzekaźnikiem, który pomaga nerwom sygnalizować mięśniom, aby się skurczyły.

Mięśnie skurczyły się i nogi poruszały się w naturalnym rytmie dzięki glutaminianowi, a gdy go usunięto, spinoboty przestały chodzić.

Następne kroki dla naukowców obejmują udoskonalenie ruchów spinobotów, tak aby były one jeszcze bardziej naturalne. Ich nadzieją jest to, że modele in vitro obwodowego układu nerwowego mogą być tworzone za pomocą małoskalowej integracji rdzenia kręgowego.

„Rozwój modelu in vitro obwodowego układu nerwowego – rdzenia kręgowego, wyrostków i zinnervowanej tkanki mięśniowej – mógłby umożliwić naukowcom badanie chorób neurodegeneracyjnych, takich jak ALS, w czasie rzeczywistym z większą łatwością dostępu do wszystkich dotkniętych składników”, powiedział Kaufman. „Istnieje również wiele sposobów, w jakie ta technologia mogłaby być wykorzystana jako narzędzie szkoleniowe dla chirurgów, od pełnienia roli treningowego manekina zrobionego z prawdziwej tkanki biologicznej do pomocy w wykonywaniu samej operacji. Te zastosowania są na razie w dość odległej przyszłości, ale włączenie integralnego obwodu rdzenia kręgowego jest ważnym krokiem do przodu”.