Уявіть крихітний живий організм завбільшки з точку, який самостійно плаває у воді, ухиляється від перешкод і реагує на сигнали — але при цьому не є тваринним, не є рослиною і не є звичайним роботом. Саме такими були ксено- і біоботи — живі роботи з жаб’ячих клітин, створені в Гарварді. Але їм бракувало одного: нервової системи. Тепер цей пробіл заповнено. У новому дослідженні, про яке повідомляє Interesting Engineering, науковці Інституту Вісса з біологічно натхненної інженерії при Гарвардському університеті представили нейроботів — перших у світі живих роботів із функціональною нервовою системою, яка самоорганізується і реально впливає на їхню поведінку.
Що відомо коротко
- Нейроботи побудовані виключно з ембріональних клітин жаби виду Xenopus laevis, але тепер містять нейрони, що самоорганізуються у функціональні нейронні мережі
- Нейрони не просто присутні в нейроботах — вони з’єднуються з іншими типами клітин на поверхні тіла, змінюючи його форму і рухову активність
- Нейроботи більш витягнуті, активніші і демонструють складніші та різноманітніші траєкторії руху порівняно зі своїми попередниками без нервової системи
- Несподіваний бонус: в нейроботах виявлені зміни в експресії генів, пов’язаних із розвитком зорової системи жаби — що натякає на можливість появи сенсорних здібностей у майбутньому
- Дослідження опубліковано в журналі Advanced Science
Що це за явище
Щоб зрозуміти важливість нейроботів, потрібно знати їхню «сімейну родословну». Усе почалося з ксеноботів — найпростіших живих роботів зі шкірних клітин жаби, які могли самостійно рухатися в рідкому середовищі за допомогою вій (cilia) — мікроскопічних «волосків» на поверхні. Потім з’явилися біоботи — вдосконалена версія з ширшим набором типів клітин. Вони вміли реплікуватися кінематично і реагували на звукові стимули.
Але і ксено-, і біоботи рухалися без центрального контролю — вії просто «гребли», і все. Те, що відрізняє тварину від набору клітин, — це нервова система: ієрархічна мережа зв’язків, яка дозволяє координувати складну поведінку у відповідь на зміни середовища. Цього і не вистачало.
Деталі відкриття
Щоб дати живим роботам нервову систему, команда під керівництвом Галі Фотовата і Майкла Левіна з Університету Тафтса розробила техніку мікрохірургічного впровадження: нейральні клітини-попередники вставляються в біоботи на ранній стадії їхнього формування. Далі дослідники просто дозволяли системі розвиватися самостійно.
І тут сталося дещо несподіване: впроваджені клітини самостійно диференціювалися в зрілі нейрони — з власними тілами клітин, аксонами і дендритами. Ці нейрони не просто з’єднувалися між собою — вони протягали відростки до різних типів клітин на поверхні тіла: багатовійчастих клітин (MCCs), що забезпечують рух, слизосекретуючих бокаловидних клітин, іоноцитів і дрібних секреторних клітин.
Іншими словами, нервова система не просто «вмонтувалась» у робота — вона інтегрувалась у нього, утворивши функціональні зв’язки з руховим апаратом.
Що показали нові спостереження
Наслідки появи нервової системи були одразу помітні. По-перше, форма нейроботів змінилась: вони стали більш витягнутими порівняно зі своїми «безнейронними» аналогами. По-друге, вони стали активнішими — менше «стояли на місці» і більше «досліджували» середовище. По-третє, і це найважливіше, їхні траєкторії руху стали принципово складнішими і різноманітнішими: замість простого кругового руху нейроботи малювали петлі, спіралі та інші складні патерни, що повторювалися, але не були ідентичними.
«Інтеграція нервової системи змінює форму і функцію нейробота. Порівняно з біоботами, нейроботи більш витягнуті, демонструють більш складні спонтанні форми поведінки та зазнають суттєвих змін у глобальній експресії генів», — зазначає перший автор дослідження Галі Фотовата.
Команда також провела фармакологічний тест: нейроботів і звичайних біоботів обробили препаратом, що впливає на нейронну передачу (PTZ). Відповідь обох груп суттєво відрізнялась — пряме підтвердження того, що нейрони в нейроботах справді активні і впливають на поведінку.
Несподіваним бонусом стало виявлення у нейроботів змін в експресії генів, пов’язаних із розвитком зорової системи жаби — тих самих генів, що формують очі. Чи означає це, що нейроботи можуть колись «побачити» щось? Поки що це лише натяк, але вчені планують перевірити цю гіпотезу в подальших дослідженнях. Для контексту — про те, як вчені знайшли область мозку що відіграє ключову роль у навчанні, читайте в окремому матеріалі.
Чому це важливо для науки
Нейроботи ставлять під сумнів деякі фундаментальні питання науки про розвиток. Нервова система, яка формується у нейроботах, не є результатом мільйонів років еволюції — вона виникла в абсолютно новому контексті, ніколи раніше не існуючому в природі. Те, що вона взагалі формується і при цьому функціонує, — це саме по собі вражаючий факт.
«Це відкриває дуже фундаментальні питання: чи може нервова система розвиватися в абсолютно новому контексті, що не є продуктом мільйонів років природного відбору?» — задається питанням Майкл Левін.
Практичне застосування теж вже окреслюється. Компанія Fauna Systems, заснована командою Левіна, планує використовувати живих роботів для екологічного моніторингу: виявлення важких металів, змін pH і аграрного стоку у водних середовищах. Нейроботи, здатні реагувати на комплексні стресори, можуть стати набагато чутливішими «сенсорами», ніж їхні попередники.
В медицині перспективи ще ширші. Здатність нейроботів самоорганізовуватися без генетичних модифікацій (вони використовують звичайний геном жаби) дозволяє вивчати, як взагалі з’являються форма і функція у живих систем — і як це можна використати для регенеративної медицини. Про те, як штучні м’язові клітини вже відновлюють пошкодження і лікують хвороби у мишей, читайте в окремому матеріалі.
«Біоботи, а тепер і нейроботи — це ті досягнення, які кидають виклик науковому мисленню і всім раніше існуючим парадигмам», — підкреслює засновуючий директор Інституту Вісса Дональд Інгбер. — «Вони представляють нові рубежі в біомедичних дослідженнях з потенціалом для розробки рішень проблем у медицині, які поки неможливо навіть уявити».
Про те, як нейрони взагалі зберігають і обробляють інформацію — деталі, без яких неможливо зрозуміти значущість нейроботів — читайте у матеріалі про те, як наш мозок зберігає пам’ять.
Цікаві факти
- 🐸 Жаба Xenopus laevis — «робоча конячка» сучасної біологічної науки. Вона використовується в дослідженнях вже понад 80 років, і саме її клітини стали матеріалом для ксенобот, біоботів і тепер нейроботів. Цей вид навіть використовувався як перший тест на вагітність у XX столітті
- 🧠 Нейральні клітини-попередники — це «незрілі» нервові клітини, здатні диференціюватися в різні типи нейронів. У нейроботах вони перетворились у повноцінні нейрони без жодного генетичного втручання — використовуючи лише власну програму розвитку клітини
- 🔬 Кальцієва візуалізація — метод, яким підтвердили активність нейронів у нейроботах, — дозволяє бачити «вспалахи» активності клітин у реальному часі через флуоресцентні маркери: активна клітина буквально світиться зеленим
- 🌿 Інститут Вісса — підрозділ Гарварду, що стоїть за нейроботами, — отримував фінансування від Міністерства оборони США, зокрема грант HR0011-18-2-0022: бо програмовані біологічні машини цікавлять і воєнних дослідників
FAQ
❓ Чим нейробот відрізняється від звичайного робота? Нейробот побудований виключно з живих клітин — без металу, кремнію чи пластику. Він живе, рухається, реагує на стимули і старіє. При цьому він не є природним організмом — це штучна конструкція, зібрана з клітин жаби людьми, яка не існувала б без втручання науки.
❓ Чи є нейроботи небезпечними? Нейроботи мікроскопічні, живуть у воді, не можуть розмножуватися традиційним способом і мають обмежений термін «життя». Дослідники наголошують, що вони позбавлені стандартних засобів розмноження і виживання поза лабораторними умовами. Але питання біоетики та безпеки залишаються предметом серйозного обговорення в науковій спільноті.
❓ Що далі — чи можуть нейроботи «відчути» навколишній світ? Виявлена активація генів зорової системи говорить про те, що таке теоретично можливе. Команда планує перевірити, чи перетворюється ця генна активність у реальні сенсорні здібності — здатність нейроботів реагувати на світло або інші подразники. Якщо так, це стане ще одним революційним кроком.