神經(jīng)機器人：微型活體機器人利用神經(jīng)元引導(dǎo)運動與行為

集成了神經(jīng)元的活體機器人——神經(jīng)機器人，能夠重塑形態(tài)并驅(qū)動超越纖毛運動的復(fù)雜行為。

科學(xué)家們創(chuàng)造出了配備功能性神經(jīng)系統(tǒng)的微型活體機器人，這標(biāo)志著對以往缺乏內(nèi)部控制的生物混合機器的重大超越。

這種名為"神經(jīng)機器人"的新型生物構(gòu)造體，完全由青蛙胚胎細(xì)胞構(gòu)建而成，但包含能夠自組織形成活躍神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)并影響運動與行為的神經(jīng)元。

與金屬和硅制成的傳統(tǒng)機器人不同，甚至與早期僅依靠纖毛推動自身的活體機器人也不同，神經(jīng)機器人集成了神經(jīng)元，這些神經(jīng)元能與體內(nèi)其他細(xì)胞類型建立連接。

這種集成重塑了它們的形態(tài)與運動模式，使其展現(xiàn)出比無神經(jīng)對應(yīng)物更為復(fù)雜多樣的行為。

該研究由哈佛大學(xué)維斯生物啟發(fā)工程研究所的科學(xué)家及其合作者主導(dǎo)，其工作建立在被稱為"異種機器人"的早期研究基礎(chǔ)上——那是由青蛙皮膚細(xì)胞簡單組裝、能在液體環(huán)境中移動的活體機器人。

雖然異種機器人展示了自主運動和對信號的簡單響應(yīng)，但它們?nèi)狈f(xié)調(diào)活動的中央內(nèi)部系統(tǒng)。

為了給活體機器人賦予神經(jīng)系統(tǒng)，研究團(tuán)隊開發(fā)了一種技術(shù)，在形成中的生物機器人發(fā)育早期階段植入神經(jīng)前體細(xì)胞。

隨著時間的推移，這些細(xì)胞分化為神經(jīng)元，它們不僅在彼此之間形成連接，還向機器人表面驅(qū)動運動的細(xì)胞（如多纖毛細(xì)胞）延伸。

新的控制層級

一旦神經(jīng)元完成集成，神經(jīng)機器人便開始與其結(jié)構(gòu)更簡單的前身分道揚鑣。

新增的神經(jīng)組織改變了它們的形態(tài)，使其更加細(xì)長，并改變了它們的行為，導(dǎo)致活動性增強，運動模式也更為復(fù)雜精細(xì)。

研究人員表示，這表明神經(jīng)活動不僅存在，而且對這些活體機器的行為產(chǎn)生了實際影響。

"重要的是，神經(jīng)系統(tǒng)的集成重塑了神經(jīng)機器人的形態(tài)與功能，"主導(dǎo)開發(fā)該方法的論文第一作者哈萊·福托瓦特博士說。

"與普通生物機器人相比，神經(jīng)機器人更為細(xì)長，展現(xiàn)出獨特的纖毛細(xì)胞表達(dá)模式，活動性更強，自發(fā)性行為更為復(fù)雜，并且在全局基因表達(dá)上發(fā)生了顯著變化。"

研究團(tuán)隊還設(shè)計了實驗來測試神經(jīng)活動如何影響運動。在一項實驗中，他們用一種能改變神經(jīng)通訊的藥物同時處理了神經(jīng)機器人和對照組的普通生物機器人。

兩者的反應(yīng)差異支持了神經(jīng)機器人中的神經(jīng)系統(tǒng)在主動塑造行為的觀點，盡管其背后的具體機制仍有待深入研究。

除了直接影響運動，研究人員還發(fā)現(xiàn)神經(jīng)機器人的基因表達(dá)出現(xiàn)了意想不到的變化，包括與青蛙視覺系統(tǒng)發(fā)育相關(guān)的基因。

這些發(fā)現(xiàn)提高了未來可能涌現(xiàn)出其他感官能力的可能性，盡管現(xiàn)階段這仍屬于推測。

"從生物機器人到現(xiàn)在的神經(jīng)機器人，這類進(jìn)展挑戰(zhàn)了科學(xué)思維和所有既有的范式，"維斯研究所創(chuàng)始主任唐納德·英格伯說。

"它們代表了生物醫(yī)學(xué)研究的新前沿，不僅有助于深入理解基礎(chǔ)生物學(xué)，還為開發(fā)應(yīng)對那些目前尚無法想象的醫(yī)學(xué)難題的解決方案提供了潛力。"

該研究發(fā)表于《先進(jìn)科學(xué)》期刊。

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