Как наблюдение за плаванием рыб помогает в робототехнике и медицине

Примитивное позвоночное животное — минога — обладает удивительной способностью: восстанавливаться после паралича. Если перерезать ей спинной мозг, а через несколько недель вернуть в воду, она часто плавает почти неотличимо от прежнего.

Ключевое открытие: нейроны, восстанавливающие разрыв, становятся короче и образуют меньше синапсов. Это значит, что для плавания важна не только связь с мозгом, но и самостоятельная обработка сигналов в спинном мозге.

В спинном мозге находятся центральные генераторы паттернов — нейронные цепи, управляющие locomotion (плаванием у рыб, ходьбой у человека). Изучение того, как миноги заново учатся плавать, может помочь в разработке терапии для людей с травмами спинного мозга.

От фундаментальной науки к применению

Исследования Эрика Тайтелла отвечают на вопрос, как рыбы «стабильно движутся в сложных условиях». Это имеет практическое значение:

• Для ВМС США: Рыбы гораздо маневреннее пропеллеров. Эксперименты по настройке резиновых плавников подводного аппарата на волнообразное движение, как у рыбы, могут привести к созданию более тихих и эффективных субмарин для работы на мелководье.
• Для экологии: Изучение того, как рыбы (например, синежаберный солнечник) справляются с турбулентностью от гидрокинетических турбин, важно для оценки воздействия альтернативной энергетики на среду.
• Для робототехники и протезирования: Созданная Тайтеллом надёжная компьютерная модель плавающей рыбы позволяет менять параметры (например, жёсткость тела) и смотреть, как это влияет на движение. Эта модель взаимодействия тела со средой может использоваться при создании адаптивных протезов, которые меняют паттерн движения в зависимости от условий (подъём в гору vs спуск).

Эксперименты с обезглавленными миногами

Эксперименты на миногах с удалённым мозгом показывают: при стимуляции спинного мозга лекарством или электричеством, спинной мозг самостоятельно генерирует плавательные движения и реагирует на возмущения.

У людей генератор паттернов ходьбы также находится в поясничном отделе спинного мозга. «Если мы сможем его просто активировать и хотя бы немного контролировать — повернуть налево, направо — то, возможно, вместо создания сложного экзоскелета, мы сможем использовать то, что уже есть. Это очень ранняя стадия, но такая возможность есть», — говорит Тайтелл.