«Нейроботы» — живые машины из лягушачьих клеток создали собственную нервную систему и изменили поведение

В 2020 году исследователи Университета Тафтса создали крошечные живые структуры, используя клетки лягушки. Ксеноботы — так их назвали — могли двигаться в воде, восстанавливать себя и даже собирать отдельные клетки для формирования новых ксеноботов. Теперь та же команда, работающая в сотрудничестве с Институтом Висса, пошла дальше. Они добавили в эти биологические машины нервные клетки. Обновлённые версии, получившие название «нейроботы», могут принимать разные формы и демонстрировать новые типы движения. Результаты недавно опубликованы в журнале Advanced Science.

Как строят живые машины

Руководимые Майклом Левиным и Хале Фотоват, исследователи начали с клеток ранних эмбрионов африканской шпорцевой лягушки Xenopus laevis. Когда клетки-предшественники кожи отделяют от эмбриона и помещают в чашку Петри, они естественным образом собираются в маленькие круглые структуры, покрытые крошечными волосовидными выступами, называемыми ресничками. Согласованное движение этих ресничек позволяет организмам плавать в воде. Они полностью биологичны, созданы без каркасов и генетических модификаций. Эти организмы могут заживлять себя и выживать около девяти-десяти дней, используя питательные вещества, запасённые в исходных эмбриональных клетках.

Что изменилось с добавлением нейронов

Чтобы создать нейроботов, учёные вставили кластеры клеток-предшественников нейронов в центр формирующихся биороботов. Это сделали на короткой стадии, когда сферические структуры ещё только развивались. Имплантированные клетки созрели и развили ветвящиеся структуры — аксоны и дендриты — по всему интерьеру и по направлению к поверхности.

«Мы хотели выяснить, что произойдёт, если мы предоставим этим биороботам сырьё, необходимое для построения нервной системы, — объясняет Левин, директор Центра открытий Аллена при Университете Тафтса. — Этот подход отличается тем, что теперь у вас есть система с биологическим телом, которое может демонстрировать поведение».

Фотоват поясняет, что работа также направлена на понимание фундаментальных принципов формирования нервных систем. «Я пыталась понять нейрональное поведение у существующих животных и то, как оно порождает поведение, но нейроботы — это обратный инжиниринг. Можем ли мы построить нервную систему с нуля? Что произойдёт, если поместить нейроны в совершенно новый контекст? Каковы их базовые, врождённые правила организации и формирования сетей?»

Что показала микроскопия

Микроскопия показала, что нейроны внутри нейроботов развили ключевые особенности, обнаруживаемые в естественных нервных системах, включая аксоны и дендриты. Исследователи также обнаружили белковые маркеры, связанные с синапсами — местами, где нейроны общаются друг с другом. Используя кальциевую визуализацию, они подтвердили, что нейроны электрически активны и функционируют в составе простых нейронных сетей.

Изменения в структуре и движении

Добавление нейронов привело к заметным изменениям. Нейроботы были крупнее и более вытянутыми, чем их собратья из обычных ксеноботов. Их движение также стало более сложным. Хотя оба типа могли плавать, нейроботы демонстрировали более высокую активность и повторяющиеся паттерны движения вместо простых траекторий.

Чтобы проверить, как нейронная активность влияет на поведение, учёные подвергли нейроботов воздействию пентилентетразола — препарата, который, как известно, воздействует на активность мозга и вызывает судороги. Препарат изменил движение нейроботов иначе, чем у не-нейральных биороботов, что позволяет предположить активное влияние новых нейронных сетей на поведение. Этот результат показывает, что даже простые самоорганизовавшиеся нервные системы могут влиять на то, как движутся эти живые конструкции.

Неожиданная генетическая активность

Исследователи также наблюдали неожиданную активность генов. В дополнение к генам, связанным с основными мозговыми рецепторами, они обнаружили активацию генов, участвующих в обработке зрительной информации, включая гены, связанные со светочувствительными клетками, обнаруживаемыми в глазах. Это поднимает возможность того, что нейроботы в конечном счёте смогут реагировать на свет.

«Мы не знаем, но моя гипотеза состоит в том, что эти нейроботы активируют части генома, которые могут быть полезны для новых функций в будущем», — говорит Левин. «Если бы они жили дольше, развили бы они также фоторецепторы? Это увлекательный вопрос, который мы активно изучаем».

Значение для будущего

Исследование финансировалось Министерством обороны США, Фондом Джона Темплтона и компанией Northpond Ventures. Это часть более широких усилий по пониманию того, как группы клеток самоорганизуются в сложные структуры в незнакомых условиях. Знание, полученное в результате изучения нейроботов, — как нейроны организуются при отсутствии эволюционной истории, — может поддержать достижения в синтетической биологии и регенеративной медицине, а также помочь учёным создавать новые биологические структуры или ремонтировать повреждённые ткани.

Вопрос, который остаётся без ответа, заключается в том, насколько сложной может стать нервная система нейробота, если дать им больше времени для развития. Если они уже активируют гены, связанные с обработкой зрительной информации, то что помешает им через несколько поколений эволюционировать в сторону настоящего восприятия света, а затем и более сложных сенсорных модальностей? И где тогда пройдёт граница между машиной, созданной человеком, и существом, которое начинает само определять, кем ему быть?