Дослідники розробили крошечних «спіноботів» з м’язової та спинномозкової тканини щурів

У дивному та важливому розвитку робототехніки дослідники університету Іллінойсу в Урбані-Шампейні створили крошечних «спіноботів», здатних ходити. Вони працюють завдяки м’язам щурів та спинномозковій тканині, яка присутня на м’якому, 3D-віддрукованому гідрогелевому скелеті. 

До нових розробок біологічні роботи рухалися лише завдяки простим м’язовим скороченням. Завдяки використанню спинного мозку в цих нових роботах, вони можуть ходити з більш природним ритмом.

Марта Гіллетт є лідером дослідження та професором клітинної та розвитку біології. 

“Це є початком напрямку до інтерактивних біологічних пристроїв, які можуть мати застосування для нейрокомп’ютерів та відновлювальної медицини”, – сказала Гіллетт.  

Результати були опубліковані в журналі APL Bioengineering. 

Створення спіноботів

Для створення спіноботів дослідники спочатку віддрукували крошечний скелет. У нього були дві опори, які діяли як ноги, а також гнучкий “хребет”. Скелет потім був засіяний м’язовими клітинами, які виросли в м’язову тканину, а сегмент поперекового спинного мозку був взятий від щура та інтегрований в нього. 

Коллін Кауфман є аспірантом та першим автором статті. 

“Ми спеціально обрали поперековий спинний мозок, оскільки попередня робота показала, що він містить циркуї, які контролюють чергування рухів нижніх кінцівок під час ходьби”, – сказав Кауфман. “З інженерної точки зору, нейрони необхідні для керування все більш складними, координованими рухами м’язів. Найбільш складною перешкодою для іннервації було те, що ніхто раніше не культивував цілий спинний мозок щура.”

Розробка методу інтеграції спинного мозку

Дослідники розробили метод для екстракції цілого спинного мозку та його культури, а також інтеграції його в робота під час культури м’язової та нервової тканини разом. При цьому вони мали забезпечити, щоб нейрони утворили з’єднання з м’язами. 

Після розробки нового методу дослідники спостерігали скорочення м’язів, які відбувалися в спіноботах. Це означало, що нейром’язові з’єднання дійсно утворилися, а два різних типу клітин спілкувалися. Для забезпечення функціонування спинного мозку, який необхідний для ходьби, дослідники використали глутамат. Глутамат є нейротрансмітером, який допомагає нервам сигналізувати м’язам скорочуватися. 

М’язи скорочувалися, а ноги рухалися в природному ритмі завдяки глутамату, а коли його прибрали, спіноботи більше не ходили. 

Наступними кроками для дослідників є вдосконалення рухів спіноботів, щоб вони були ще більш природними. Їхня надія полягає в тому, що в майбутньому можна буде створити моделі периферичної нервової системи за допомогою інтеграції малих масштабів спинного мозку. 

“Розробка моделі периферичної нервової системи в умовах in vitro – спинного мозку, виростків та іннервованої м’язової тканини – могла б дозволити дослідникам вивчати нейродегенеративні захворювання, такі як ALS, в реальному часі з більш легким доступом до всіх постраждалих компонентів”, – сказав Кауфман. “Є також різні способи, якими цю технологію можна використовувати як інструмент для навчання хірургам, від дії як тренувального манекена, виготовленого з реальної біологічної тканини, до фактичної допомоги під час операції. Ці застосування зараз знаходяться в досить далекому майбутньому, але включення цілої спинномозкової циркуї є важливим кроком вперед.”