Функционирует при финансовой поддержке Федерального агентства по печати и массовым коммуникациям (Роспечать)

Спинной мозг мыши запустил сокращение мышц биоробота

Спинной мозг в культуре и отростки, которые проросли из него (синий — нейроны, зеленый — астроциты). На левой картинке розовым окрашены волокна ацетилхолиновых нейронов

Collin Kaufman et al. / APL Bioengineering, 2020

Исследователи из США создали биоробота, сокращением мышечных волокон которого управляет участок спинного мозга мыши. Отростки нейронов спинного мозга проросли к мышцам, сформировали синапсы и запускали спонтанные сокращения. При воздействии глутамата движения биогибрида становились равными по амплитуде и регулярными. Статья опубликована в журнале APL Bioengineering.

Ученые создают все больше гибридных механизмов, которые движутся за счет сокращений живых мышечных клеток: биороботы уже умеют ходить, прыгать, ползать и даже плавать. Основной вопрос, с которым сталкиваются разработчики таких гибридов, — как управлять их движениями. Эту задачу решают с помощью электрических полей, оптогенетики и химической стимуляции. В живых системах мышцами управляют нервные клетки, и ученые выращивают мышечную и нервную ткань рядом, чтобы задействовать нейроны в управлении биороботом.

Однако искусственные системы из отдельных клеток не могут повторить тонкие механизмы координации целых групп мышц, которые происходят в живых организмах. У позвоночных непосредственным управлением движениями занимается спинной мозг — он согласует сокращение мышц-сгибателей и разгибателей как внутри одной конечности, так и между конечностями.


Ученые из Иллинойсского университета в Урбане-Шампейне под руководством Марты Жиллетт (Martha Gillette) выделили участок поясничной области спинного мозга мыши и выращивали его в культуре. Затем создали полимерный скелет для мышц с двумя подвижными столбиками, которые играли роль сухожилий. На платформу высадили миобласты (предшественники мышечных клеток) и дали им разрастись, после чего расположили участок спинного мозга параллельно мышечным волокнам.


При выращивании в культуре спинной мозг разрастался за счет как нейронов, так и глии (вспомогательной ткани, которая необходима для формирования и функционирования синапсов). Нервные клетки генерировали электрические импульсы как спонтанно, так и под действием возбуждающего медиатора глутамата. В культуре с мышечными клетками отростки нейронов спинного мозга проросли к мышечным волокнам и сформировали синапсы за семь дней.


Конструкцию назвали «спиноробот». Мышцы этого гибрида сокращались спонтанно, а когда в среду добавляли глутамат, их движения становились одинаковыми по амплитуде и организовывались в отчетливый временной рисунок. После добавления блокатора глутаматных рецепторов активность мышечных волокон прекращалась.


Устройство биоробота схоже со строением периферической нервной системы. В будущем на основе этой модели можно создавать системы, в которых будет скоординирована работа нескольких мышц (например, сгибателей и разгибателей) и возможна тонкая настройка их движений.

Недавно мы писали о схожем биороботе, в котором отростки нейронов из культуры прорастали к мышечным волокнам. Как оказалось, не только нервные клетки управляют активностью мышечных, но и последние выделяют вещества, которые ускоряют рост и развитие нейронов.

Алиса Бахарева

Нашли опечатку? Выделите фрагмент и нажмите Ctrl+Enter.