Спинной мозг крысы управляет нейронной функцией в биоботах

Биологические роботы (биоботы) черпают вдохновение в природных системах, имитируя движения организмов. Улучшение биоботов для более точного воспроизведения сложного моторного поведения может привести к прорыву в биоинженерии. Однако для этого требуются биогибридные роботы, состоящие из органических и искусственных материалов, что является сложной задачей.

Исследователи из Университета Иллинойса в Урбане-Шампейне объединили интактный спинной мозг крысы с тканеинженерной 3D-мышечной системой. Они описали эту новую биогибридную систему в журнале APL Bioengineering.

После семи дней культивирования исследователи обнаружили, что мотонейроны спинного мозга начали продуцировать электрическую активность, вызывающую сокращение искусственных мышц, что повторяет поведение периферической нервной системы.

«Когда мы глубже изучили, как формируется интерфейс нейрон-мышца, мы были очень взволнованы, наблюдая множество сходств между нашим тканеинженерным "спиноботом" и развитием in vivo», — сказал автор Коллин Кауфман.

Этот результат указывает, что эксплантированный спинной мозг является жизнеспособным механизмом для управления мышечной активностью даже вне естественной среды.

Исследователи подтвердили это, варьируя концентрацию нейротрансмиттеров в системе:

• При добавлении нейротрансмиттеров сокращения становились более ритмичными и стабильными.
• При их блокировке подёргивания уменьшались.

Возможность наблюдать периферическую нервную систему внешне, как в этом исследовании, может привести к значительному прогрессу в медицине. Например, в изучении болезни Лу Герига (бокового амиотрофического склероза, БАС), где гибель нейронов ведёт к потере моторных функций. Создав внешнюю модель периферической нервной системы, учёные смогут изучать БАС в реальном времени.

«Следующие шаги в изучении такой болезни удивительно близки, — отметил Кауфман. — Заменив мышцу, спинной мозг или их комбинацию на модель с мутацией БАС, исследователи смогут изучить, как больные нейроны взаимодействуют с соседними мышцами».

Кроме того, гибридные биоботы могут использоваться как инструменты для хирургического тренинга, позволяя студентам-медикам практиковаться на реальной биологической ткани.

«Будущие применения этой технологии только начинают осознаваться, и мы ожидаем многого от этой области в ближайшие годы», — сказала профессор Марта Жиллет.