Взаимодействие мышц и нейронных сетей в био-гибридных машинах

Учёные наблюдали формирование самоорганизующейся машины, когда нейроны, полученные из стволовых клеток, прорастали к мышечным клеткам в био-гибридной системе. Нейронные сети демонстрировали синхронные паттерны активности. Этот впечатляющий эксперимент оставил исследователей с важными вопросами о механизмах этого роста и предоставил проверенный метод сбора данных для дальнейшего изучения биоактуаторов.

В статье, опубликованной в APL Bioengineering, авторам удалось зафиксировать многие механизмы, работающие в совместной культуре нейронов и мышц. Используя разработанную ими платформу, которая удерживает подвешенный нейросфероид и несколько типов мышечных клеток в разных отсеках, их работа впервые сообщает о 3-D нервно-мышечном соединении в открытой платформе с несколькими мышцами.

"Наиболее значимый результат — это возникновение машины, где актуаторы (мышцы) формируются из капли смеси клеток и внеклеточного матрикса, а нейроны самостоятельно образуют сеть", — сказал автор Тахер Сайф. "Это система, где нейроны достигают мышц, образуя нервно-мышечные соединения, в результате чего получается машина, которой мы можем управлять с помощью света, и при этом мы до конца не понимаем, как всё это произошло".

Нервно-мышечные соединения — источник двигательной активности: моторные нейроны активируются, вызывая сокращение мышц. В крошечных биороботах, использующих мышечные клетки в качестве актуаторов, возможность настраивать параметры позволила бы создавать более точные конструкции с желаемыми характеристиками и предсказуемым поведением. Однако развивающейся области био-гибридных роботов (включая системы для целевой доставки лекарств, зондирования среды и био-гибридных насосов для кровообращения) необходимы проверенные экспериментальные методы.

"Эту стадию можно сравнить со временем братьев Райт, пытавшихся летать, когда потенциальные применения были далеки", — отметил Сайф. "Область био-гибридных роботов пытается выяснить, можно ли вообще создавать машины из живых клеток и каркасов, каковы законы масштабирования и каковы минимальные условия для их возникновения".

Авторы детально изучили морфологию сформированных нервно-мышечных единиц, применили оптическую стимуляцию для количественной оценки динамики мышц, записали электрическую активность нейросфероидов и определили механизмы модуляции поведения биоактуатора.

"Это новая парадигма проектирования биологических машин, таких как био-гибридные роботы", — сказал Сайф. "Здесь двунаправленные взаимодействия возникают и развиваются своим собственным курсом. Если мы сможем понять эти взаимодействия, то сможем направлять и модулировать их для оптимизации результатов, таких как высокая мышечная сила или синхронность в активности нейронов".