Оптогенетика позволила перехватить контроль над движениями червя

Канадские ученые разработали метод превращения нематоды Caenorhabditis elegans в управляемого мягкого робота. Они парализовали червя, чтобы лишить его возможности управлять своими мышцами, и оптогенетически модифицировали его клетки, благодаря чему исследователи смогли самостоятельно активировать группы мышц червя, облучая их лазером. В качестве демонстрации они показали, как управляемый лазером червь прополз сквозь лабиринт и добрался в определенную точку. Статья опубликована в Science Robotics.

Миниатюризация роботов — сложный процесс, который пока идет медленно из-за нескольких трудностей. Во-первых, если речь идет о роботах размером с насекомых и меньше, их разработчикам зачастую попросту негде брать настолько мелкие актуаторы, аккумуляторы и другие элементы. Во-вторых, при масштабировании роботов действующие на них силы масштабируются по-разному, что вынуждает учитывать это при разработке.

Инженеры решают эти трудности двумя путями: одни непосредственно работают над созданием микророботов и их компонентов, а вторые предлагают брать за основу небольшие живые организмы, приспособленные к своей среде в результате эволюции, и оснащать их электронными компонентами. Самый популярный модельный организм для превращения в киборга — это таракан. В большинстве случаев тараканами управляют косвенно, стимулируя электрическими органами усы или церки, что заставляет животное считать, будто оно столкнулось с препятствием, и поворачивать в соответствующую сторону. Благодаря простоте управления исследования в этой области доступны почти любым группам исследователей, и даже продаются готовые устройства для управления. Но вместе с этим при таком подходе управление имеет низкую точность и насекомое проводит существенную часть времени на неоптимальной траектории. Более точное управление требует наличия множества электродов для разных мышц тела, а также подавления собственных двигательных импульсов животного.

Ученые из Университета Торонто под руководством Синьюя Лю (Xinyu Liu) научились полностью захватывать контроль над нематодами вида Caenorhabditis elegans, точечно активировать конкретные области мышц и благодаря этому управлять движением таких червей в реальном времени. В обычных червях этого вида клетки боковых мышц тела активируются, когда двигательные нейроны выделяют ацетилхолин. Ученые использовали генно-модифицированных червей, в мышечных клетках которых есть ионные каналы, активируемые светом. А для того, чтобы заблокировать собственное управление C. elegans, исследователи ввели им ивермектин, который гиперполяризует нейроны, мешая им передавать импульсы к мышечным клеткам, что фактически парализует организм. Таким образом исследователи получили возможность контролировать движение червя светом.

Для точного управления ученые сначала исследовали движение нематоды, отслеживая активность мышц по состоянию ионов кальция в них, чтобы воссоздать его при помощи лазера. Они установили, что движения описывается двумя синусоидальными кривыми, смещенными друг от друга по фазе: одна описывает активность мышечных клеток, а вторая характеризует изгиб тела.

Установив схему прямолинейного движения червей и поворотов, ученые собрали тестовый стенд для управления. Он состоит из микроскопа с камерой, лазером и жидкокристаллической панелью перед ним, которая позволяет формировать из единого лазерного пучка отдельные засвеченные области, чтобы стимулировать не весь организм, а только конкретные мышечные области. Стимулируя три области (две с одной стороны тела и одну с другой), система заставляет червя изгибаться и продвигаться вперед. Также они создали алгоритм, который отслеживает текущую форму нематоды, чтобы рассчитывать соответствующие лазерные импульсы и удерживать ее на заданной траектории.

Ученые продемонстрировали несколько примеров управления организмом. В некоторых из них он просто полз по прямой или поворачивал, а в одной из демонстраций червь прополз через лабиринт, огибая стены и ответвления:

В этой работе движение подконтрольного организма ограничено лишь тестовым стендом, но ранее другие ученые показали, как небольшая оптогенетическая система позволяет управлять свободным полетом стрекозы.

Григорий Копиев