Cercetătorii dezvoltă mici „spinobots” cu mușchi de șoarece și țesut de măduvă spinării

Într-un progres ciudat și important în robotică, cercetătorii de la Universitatea din Illinois la Urbana-Champaign au dezvoltat mici „spinobots” capabile să meargă. Ei sunt alimentați de mușchi de șoarece și țesut de măduvă spinării, care este prezent pe scheletul de hidrogel moale, imprimat în 3D.

Înainte de noile dezvoltări, roboții biologici se bazau pe simpla contracție a mușchilor pentru a înainta. Cu utilizarea măduvei spinării în acești noi roboți, ei pot merge cu un ritm mai natural.

Martha Gillette este liderul studiului și profesor de biologie celulară și dezvoltare.

„Acestea sunt începuturile unei direcții către dispozitive biologice interactive care ar putea avea aplicații pentru neurocalcul și pentru medicină restaurativă”, a spus Gillette.

Rezultatele au fost publicate în revista APL Bioengineering.

Crearea spinobotilor

Pentru a construi spinobots, cercetătorii au imprimat mai întâi scheletul mic. Acesta avea două stâlpi care serveau ca picioare, precum și o „coloană vertebrală” flexibilă. Scheletul a fost apoi însămânțat cu celule musculare care au crescut în țesut muscular, iar un segment de măduvă spinării lombare a fost luat de la un șoarece și integrat în acesta.

Collin Kaufman este student doctorand și autorul principal al lucrării.

„Am selectat în mod specific măduva spinării lombare pentru că lucrările anterioare au demonstrat că aceasta găzduiește circuitele care controlează alternarea stânga-dreapta pentru membrele inferioare în timpul mersului”, a spus Kaufman. „Din punct de vedere ingineresc, neuronii sunt necesari pentru a conduce mișcări musculare complexe și coordonate. Cel mai dificil obstacol pentru inervație a fost că nimeni nu a cultivat niciodată o măduvă spinării intactă de șoarece înainte.”

Proiectarea unei metode pentru integrarea măduvei spinării

Cercetătorii au dezvoltat o metodă pentru a extrage măduva spinării intactă și a o cultiva, precum și pentru a o integra pe robot, în timp ce cultivau țesutul muscular și nervos împreună. În timp ce făceau acest lucru, trebuiau să se asigure că neuronii formează joncțiuni cu mușchii.

După proiectarea noii metode, cercetătorii au observat contracții musculare care au avut loc în spinobots. Acestea au însemnat că joncțiunile neuro-musculare s-au format într-adevăr, iar cele două tipuri de celule comunicau. Pentru a se asigura că măduva spinării funcționa, ceea ce este necesar pentru mers, cercetătorii au utilizat glutamat. Glutamatul este un neurotransmițător care ajută nervii să semnaleze mușchiului să se contracte.

Mușchiul s-a contractat și picioarele au mișcat într-un ritm natural datorită glutamatului, iar odată ce a fost îndepărtat, spinobotii nu au mai mers.

Următorii pași pentru cercetători includ rafinarea mișcărilor spinobotilor, astfel încât acestea să fie și mai naturale. Speranța lor este că modelele in vitro ale sistemului nervos periferic pot fi create prin utilizarea integrării măduvei spinării la scară mică.

„Dezvoltarea unui sistem nervos periferic in vitro – măduvă spinării, ramificații și mușchi inervați – ar putea permite cercetătorilor să studieze bolile neurodegenerative, cum ar fi ALS, în timp real și cu o mai mare ușurință de acces la toate componentele afectate”, a spus Kaufman. „Există, de asemenea, o varietate de moduri în care această tehnologie ar putea fi utilizată ca un instrument de antrenament chirurgical, de la a servi ca un manechin de practică fabricat din țesut biologic real până la a ajuta la efectuarea chirurgiei în sine. Aceste aplicații sunt, pentru moment, într-un viitor destul de îndepărtat, dar includerea unui circuit de măduvă spinării intact este un pas important înainte.”