带神经体系的活体机械neurobots问世

福托瓦特表示，这一工作不仅是为了给生物机械人添加“控制单位”，更重要的是借此反向推演神经体系形成的内涵原则。她指出，相较于在斑马鱼等成熟动物体内追踪神经元若何介入行动产生，神经机械人供给了一个“从无到有”构建神经体系的平台，从而可以探听：“把神经元放进一个完全前所未有的情境，它们会根据哪些先天规矩组织成收集？”

早在 2020 年，塔夫茨大年夜学研究人员曾应用非洲爪蟾（Xenopus laevis）胚胎细胞，构建出微米级的“类机械人”生物构造——青蛙细胞机械人，它们可以或许在水中活动、自我修复，甚至集合散落细胞，生成新的个别。这些完全由活细胞自组装而成的构造无需支架，也不涉及基因改革，寿命约为 9 至 10 天，依附原始胚胎细胞中储存的养分保持生计。在此基本上，研究团队一向在摸索：假如给这些活体构造“装上”神经体系，会产生什么？

最新研究中，科学家在构建中的生物机械人内部，植入一团会发育成神经元的神经前体细胞，形成所谓“神经机械人”。这些细胞在球形组织尚处于发育早期的短临时光窗中被嵌入，随后逐渐成熟，长出树突和轴突，并向内部及外面延长，构建起简单而完全的神经收集。相干成果近日揭橥于《Advanced Science》期刊。

该项目由塔夫茨大年夜学 Vannevar Bush 生物学传授迈克尔·莱文（Michael Levin）与威斯研究所的哈莱·福托瓦特（Haleh Fotowat）结合引导，属于他们更大年夜范围研究筹划的一部分，旨在弄清一群细胞在陌生情况下若何自组织成复杂构造。研究者欲望，这类“从零开端”的体系能揭示神经体系形成与塑形的根本规矩，从而为合成生物学和再生医学供给理论基本，将来有望用于设计新的生物构造或修复受损组织。

在具体实验中，团队起首从非洲爪蟾早期胚胎平分别出前体皮肤细胞，这些细胞在培养皿中会天然集合成小型球状构造，外面覆盖着密集的纤毛（多纤毛细胞）。纤毛的调和摆动使得本来的“青蛙细胞机械人”得以在水中游动。在此基本上参加神经前体细胞后，形成的“神经机械人”在形态上与以往比拟产生明显改变，整体更大年夜，也更为细长。

显微镜不雅察显示，这些嵌入的神经元不仅发育出了典范的树突和轴突构造，还表达了突触相干的蛋白标记，注解细胞之间建立了联络并具备旌旗灯号传递才能。经由过程钙成像技巧，研究人员进一步证实，神经机械人内部的神经元可以或许进行电活动，构成简化的功能性神经收集。

神经体系的参加也明显改变了这些活体机械的行动模式。与不含神经元的生物机械人比拟，神经机械人整体活动更为频繁，活动轨迹更复杂，出现出反复的活动模式，而非简单的直线或随机游动。为了验证神经活动在行动中的感化，团队应用了已知会影响大年夜脑活动并诱发癫痫样反响的药物戊四氮（pentylenetetrazole），不雅察其对这些活体构造活动的影响。成果显示，药物对神经机械人的活动模式产生的改变，与其对不含神经元的生物机械的感化截然不合，解释新形成的神经收集正在主动塑造这些“机械”的行动。

莱文则强调，神经机械工资研究“在一个拥怀孕材的体系中，神经收集若何影响动作和行动”供给了独特机会。在传统实验模型中，身材与神经体系往往经历了漫长的合营进化史，而神经机械人则是一个没有进化背景的全新组合，有助于剥离习得与演变身分，直不雅不雅察细胞与收集如安在物理构造中协同工作。

除了形态和行动变更外，研究人员还在神经机械人中发清楚明了颇为不测的基因表达模式。在与重要脑受体相干的基因之外，团队还检测到很多涉及视觉处理的基因被激活，个中包含平日在眼部光敏感细胞中表达的基因。这意味着，假如进一步延长其寿命、优化培养前提，神经机械人在将来有可能成长出对光的响应才能。

莱文提出了一个颇具前瞻性的假设：这些神经机械人可能正在“预先上调”某些对将来潜在功能有效的基因模块，为后续功能演变做预备。“假如它们能活得更久，会不会进一步成长出真正的光感触感染器？”他表示，这是团队今朝正在积极摸索的问题。

研究人员指出，要想用生物原料“构建全新事物”，起首必须懂得细胞自身若何解决问题、如安在陌生情况中做出“决定计划”。神经机械人恰是如许一类实验平台：没有既定的发育法度榜样、没有天然选择留下的构造模板，却仍然显示出自组织、形成收集、生成行动的才能。这不仅挑衅了我们对“身材”和“神经体系”界线的传统懂得，也为将来可编程的活系一切——例如可自我修复的微型医疗器械、智能组织工程构件——打开了想象空间。