Исследователи Разработали Маленьких «Спиноботов» с Мышечной Тканью и Тканью Спинного Мозга Крысы

В странном и важном развитии в области робототехники исследователи из Университета Иллинойса в Урбане-Шампейне разработали маленьких «спиноботов», способных ходить. Они работают на мышечной ткани крысы и ткани спинного мозга, которые присутствуют на мягком, 3D-печатном скелете из гидрогеля.

До новых разработок биологические роботы полагались на простое сокращение мышц, чтобы двигаться вперед. С использованием спинного мозга в этих новых роботах они могут ходить с более естественным ритмом.

Марта Гиллетт – лидер исследования и профессор клеточной и развивающейся биологии.

«Это начало направления к интерактивным биологическим устройствам, которые могут иметь применения в нейрокомпьютерных системах и восстановительной медицине», – сказала Гиллетт.

Результаты исследования были опубликованы в журнале APL Bioengineering.

Создание Спиноботов

Чтобы построить спиноботов, исследователи сначала напечатали маленький скелет. У него были две опоры, которые действовали как ноги, а также гибкий «позвоночник». Скелет затем был засеян мышечными клетками, которые выросли в мышечную ткань, и сегмент поясничного спинного мозга был взят от крысы и интегрирован в него.

Коллин Кауфман – аспирант и первый автор статьи.

«Мы специально выбрали поясничный спинной мозг, потому что предыдущие исследования показали, что он содержит цепи, которые контролируют чередование левой и правой ног при ходьбе», – сказал Кауфман. «С точки зрения инженерии, нейроны необходимы для управления все более сложными и скоординированными мышечными движениями. Самым сложным препятствием для иннервации было то, что никто никогда не культивировал целый спинной мозг грызуна раньше».

Разработка Метода Интеграции Спинного Мозга

Исследователи разработали метод для извлечения целого спинного мозга и культивирования его, а также интеграции его в робота при культивировании мышечной и нервной тканей вместе. При этом они должны были убедиться, что нейроны образуют соединения с мышцами.

После разработки нового метода исследователи наблюдали сокращения мышц, которые происходили в спиноботах. Это означало, что нейромышечные соединения действительно образовались, и два типа клеток общались. Чтобы убедиться, что спинной мозг функционирует, что необходимо для ходьбы, исследователи использовали глутамат. Глутамат – это нейротрансмиттер, который помогает нервам сигнализировать мышцам о сокращении.

Мышцы сокращались, и ноги двигались в естественном ритме из-за глутамата, и когда он был удален, спиноботы больше не ходили.

Следующие шаги для исследователей включают усовершенствование движений спиноботов, чтобы они были еще более естественными. Они надеются, что с помощью небольших интеграций спинного мозга можно создать модели периферической нервной системы в vitro.

«Разработка модели периферической нервной системы в vitro – спинного мозга, отростков и иннервируемых мышц – могла бы позволить исследователям изучать нейродегенеративные заболевания, такие как ALS, в реальном времени с большей легкостью доступа ко всем затронутым компонентам», – сказал Кауфман. «Также есть различные способы, которыми эта технология могла бы быть использована в качестве инструмента для хирургической подготовки, от использования в качестве тренировочного манекена, сделанного из реальной биологической ткани, до помощи в выполнении самой операции. Эти применения сейчас находятся в довольно далеком будущем, но включение целой цепи спинного мозга является важным шагом вперед».