“青蛙機(jī)器人”誕生，助力未來(lái)醫(yī)療？

西班牙《非常有趣》雜志4月5日文章，原題：他們創(chuàng)造出了首批植入神經(jīng)細(xì)胞的“生物機(jī)器人”，這些機(jī)器人能夠自主制造大腦 當(dāng)機(jī)器人學(xué)和生物學(xué)之間的界限模糊到幾乎消失時(shí)會(huì)發(fā)生什么？會(huì)誕生像小說(shuō)《弗蘭肯斯坦》中那樣的人造怪物嗎？生命系統(tǒng)工程領(lǐng)域的一項(xiàng)最新研究將青蛙細(xì)胞融入機(jī)器人的身體，從而創(chuàng)造出擁有自身神經(jīng)控制系統(tǒng)的“生物機(jī)器人”。

細(xì)胞可塑性驚人

近日，在一篇發(fā)表在德國(guó)《先進(jìn)科學(xué)》期刊上的論文中，美國(guó)塔夫茨大學(xué)和哈佛大學(xué)的研究人員利用神經(jīng)前體細(xì)胞（一類(lèi)具有自我更新能力和多向分化潛能的未成熟細(xì)胞，可分化形成神經(jīng)元、星形膠質(zhì)細(xì)胞和少突膠質(zhì)細(xì)胞）開(kāi)發(fā)出了首批自主生物機(jī)器人。這項(xiàng)研究不僅挑戰(zhàn)了我們對(duì)機(jī)器人的理解，還揭示了細(xì)胞可塑性：神經(jīng)元細(xì)胞能夠在自然生物體外環(huán)境進(jìn)行生長(zhǎng)發(fā)育并構(gòu)建邏輯網(wǎng)絡(luò)。

這些生物機(jī)器人的構(gòu)建基礎(chǔ)是非洲爪蟾的表皮組織。在正常情況下，這些細(xì)胞會(huì)構(gòu)成動(dòng)物的皮膚，提供保護(hù)屏障。然而，科學(xué)家利用合成形態(tài)學(xué)技術(shù)，將這些細(xì)胞從其原始環(huán)境中提取出來(lái)，并將它們重新組合，以一種全新的物理形態(tài)協(xié)同運(yùn)作，變成了“生物機(jī)器人”。這項(xiàng)實(shí)驗(yàn)與以往實(shí)驗(yàn)的根本區(qū)別在于，它添加了“智能片段”：神經(jīng)元的前體細(xì)胞。當(dāng)這些神經(jīng)細(xì)胞被引入生物機(jī)器人體內(nèi)時(shí)，會(huì)發(fā)生一種宛如科幻小說(shuō)般的自組裝過(guò)程。植入的神經(jīng)元會(huì)逐漸成熟，并延伸出軸突和樹(shù)突，在人工設(shè)計(jì)的機(jī)器人體內(nèi)形成功能性突觸。細(xì)胞自行探索新的環(huán)境，尋找鄰近細(xì)胞，并建立起電信號(hào)網(wǎng)絡(luò)，而非由工程師在顯微鏡下逐一進(jìn)行連接。

神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)并非裝飾

為了解機(jī)器人分子層面的運(yùn)作機(jī)制，研究人員采用一種名為RNA測(cè)序的技術(shù)。該技術(shù)能夠讓他們觀察到生物機(jī)器人細(xì)胞內(nèi)哪些基因在何種特定時(shí)間處于“開(kāi)啟”或活躍狀態(tài)。研究結(jié)果帶來(lái)了一個(gè)技術(shù)上的意外發(fā)現(xiàn)，迫使我們重新思考合成生物學(xué)中對(duì)感知的理解。

研究結(jié)果揭示了這些生物體感知特性的一個(gè)意想不到的事實(shí)。盡管缺乏眼睛或頭部結(jié)構(gòu)，這些生物機(jī)器人仍能自發(fā)激活與視覺(jué)感知相關(guān)的基因。這一現(xiàn)象表明，神經(jīng)元保留著某種關(guān)于其譜系的記憶，或者說(shuō)，當(dāng)它們發(fā)現(xiàn)自己處于新的身體結(jié)構(gòu)中時(shí)，會(huì)嘗試激活感覺(jué)通路來(lái)解讀周?chē)h(huán)境。這表明，即使缺乏傳統(tǒng)的感官器官，生命也會(huì)不斷探索感知世界的新方式。為了證實(shí)這個(gè)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)不僅僅是結(jié)構(gòu)上的“裝飾品”，哈佛大學(xué)和塔夫茨大學(xué)的研究團(tuán)隊(duì)采用了鈣成像技術(shù)。這種可視化技術(shù)使科學(xué)家能夠?qū)崟r(shí)觀察細(xì)胞間電信號(hào)的觸發(fā)時(shí)間和方式。通過(guò)添加對(duì)鈣離子流動(dòng)有反應(yīng)的熒光指示劑，科學(xué)家們得以觀察到這些神經(jīng)機(jī)器人之間的電信號(hào)“交流”。

可能合成肌肉控制系統(tǒng)

高分辨率顯微鏡證實(shí)了運(yùn)行邏輯網(wǎng)絡(luò)的存在。鈣成像證實(shí)了同步電活動(dòng)脈沖的存在，這些脈沖協(xié)調(diào)著生物機(jī)器人的行為。當(dāng)外界刺激產(chǎn)生時(shí)，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中的電脈沖會(huì)讓生物機(jī)器人作出相應(yīng)反應(yīng)，使它們能夠與周?chē)h(huán)境互動(dòng)。這種“基礎(chǔ)智能”使得生物機(jī)器人能夠以不同于沒(méi)有神經(jīng)系統(tǒng)的簡(jiǎn)單生物機(jī)器人的方式進(jìn)行運(yùn)動(dòng)。

這些機(jī)器人并非實(shí)驗(yàn)室里的“弗蘭肯斯坦”，而是對(duì)生命極限的探索。通過(guò)為生物機(jī)器人配備神經(jīng)系統(tǒng)，研究人員正在為新一代醫(yī)療技術(shù)奠定基礎(chǔ)。未來(lái)，類(lèi)似的系統(tǒng)有望被設(shè)計(jì)成能夠自主導(dǎo)航人體、識(shí)別組織損傷，并利用自身的生物處理能力協(xié)調(diào)復(fù)雜的修復(fù)過(guò)程。了解神經(jīng)元如何在人工環(huán)境中進(jìn)行自我重塑，為設(shè)計(jì)高精度合成神經(jīng)肌肉控制系統(tǒng)提供了可能。這些擁有自身神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的生命系統(tǒng)的誕生，標(biāo)志著生物工程領(lǐng)域的一個(gè)轉(zhuǎn)折點(diǎn)。（作者圣地亞哥·坎皮略·布羅卡爾，羅云譯）▲