“青蛙機器人”誕生，助力未來醫(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“生物機器人”，這些機器人能夠自主制造大腦當(dāng)機器人學(xué)和生物學(xué)之間的界限模糊到幾乎消失時會發(fā)生什么？會誕生像小說《弗蘭肯斯坦》中那樣的人造怪物嗎？生命系統(tǒng)工程領(lǐng)域的一項最新研究將青蛙細(xì)胞融入機器人的身體，從而創(chuàng)造出擁有自身神經(jīng)控制系統(tǒng)的“生物機器人”。

細(xì)胞可塑性驚人
近日，在一篇發(fā)表在德國《先進科學(xué)》期刊上的論文中，美國塔夫茨大學(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）開發(fā)出了首批自主生物機器人。這項研究不僅挑戰(zhàn)了我們對機器人的理解，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)境進行生長發(fā)育并構(gòu)建邏輯網(wǎng)絡(luò)。

這些生物機器人的構(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)胞會構(gòu)成動物的皮膚，提供保護屏障。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，并將它們重新組合，以一種全新的物理形態(tài)協(xié)同運作，變成了“生物機器人”。這項實驗與以往實驗的根本區(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)胞被引入生物機器人體內(nèi)時，會發(fā)生一種宛如科幻小說般的自組裝過程。植入的神經(jīng)元會逐漸成熟，并延伸出軸突和樹突，在人工設(shè)計的機器人體內(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，并建立起電信號網(wǎng)絡(luò)，而非由工程師在顯微鏡下逐一進行連接。

神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)并非裝飾
為了解機器人分子層面的運作機制，研究人員采用一種名為RNA測序的技術(shù)。該技術(shù)能夠讓他們觀察到生物機器人細(xì)胞內(nèi)哪些基因在何種特定時間處于“開啟”或活躍狀態(tài)。研究結(jié)果帶來了一個技術(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意想不到的事實。盡管缺乏眼睛或頭部結(jié)構(gòu)，這些生物機器人仍能自發(fā)激活與視覺感知相關(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，當(dāng)它們發(fā)現(xiàn)自己處于新的身體結(jié)構(gòu)中時，會嘗試激活感覺通路來解讀周圍環(huán)境。這表明，即使缺乏傳統(tǒng)的感官器官，生命也會不斷探索感知世界的新方式。為了證實這個神經(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)的研究團隊采用了鈣成像技術(shù)。這種可視化技術(shù)使科學(xué)家能夠?qū)崟r觀察細(xì)胞間電信號的觸發(fā)時間和方式。通過添加對鈣離子流動有反應(yīng)的熒光指示劑，科學(xué)家們得以觀察到這些神經(jīng)機器人之間的電信號“交流”。

可能合成肌肉控制系統(tǒng)
高分辨率顯微鏡證實了運行邏輯網(wǎng)絡(luò)的存在。鈣成像證實了同步電活動脈沖的存在，這些脈沖協(xié)調(diào)著生物機器人的行為。當(dāng)外界刺激產(chǎn)生時，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中的電脈沖會讓生物機器人作出相應(yīng)反應(yīng)，使它們能夠與周圍環(huán)境互動。這種“基礎(chǔ)智能”使得生物機器人能夠以不同于沒有神經(jīng)系統(tǒng)的簡單生物機器人的方式進行運動。

?這些機器人并非實驗室里的“弗蘭肯斯坦”，而是對生命極限的探索。通過為生物機器人配備神經(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，類似的系統(tǒng)有望被設(shè)計成能夠自主導(dǎo)航人體、識別組織損傷，并利用自身的生物處理能力協(xié)調(diào)復(fù)雜的修復(fù)過程。了解神經(jīng)元如何在人工環(huán)境中進行自我重塑，為設(shè)計高精度合成神經(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)域的一個轉(zhuǎn)折點。（作者圣地亞哥·坎皮略·布羅卡爾，羅云譯）