Nhóm nghiên cứu khoa học của Đại học Tufts và Viện Wyss của Đại học Harvard, Hoa Kỳ đã một lần nữa vượt qua ranh giới của công nghệ sinh học dựa trên "robot sống tế bào ếch" (xenobots) trước đó và tạo ra một cỗ máy sống thu nhỏ mới với hệ thần kinh riêng - "neurobots". Nó thể hiện mạng lưới thần kinh tự tổ chức và các mô hình hành vi phức tạp hơn, cung cấp một cánh cửa mới để hiểu cách các sinh vật xây dựng các cấu trúc chức năng.
Ngay từ năm 2020, các nhà nghiên cứu của Đại học Tufts đã sử dụng tế bào phôi cóc có móng châu Phi (Xenopus laevis) để xây dựng các cấu trúc sinh học "giống robot" ở quy mô micron - robot tế bào ếch. Chúng có thể di chuyển trong nước, tự sửa chữa và thậm chí tập hợp các tế bào rải rác để tạo ra cá thể mới. Các cấu trúc tự lắp ráp hoàn toàn từ các tế bào sống mà không cần khung đỡ hoặc biến đổi gen, sống được khoảng 9 đến 10 ngày và dựa vào các chất dinh dưỡng được lưu trữ trong các tế bào phôi ban đầu để tồn tại. Trên cơ sở đó, nhóm nghiên cứu đã khám phá: Điều gì sẽ xảy ra nếu những cấu trúc sống này được “trang bị” hệ thần kinh?
Trong nghiên cứu mới nhất, các nhà khoa học đã cấy ghép một nhóm tế bào tiền thân thần kinh sẽ phát triển thành tế bào thần kinh bên trong robot sinh học đang được chế tạo để tạo thành cái gọi là "neurobot". Các tế bào này được nhúng vào cửa sổ thời gian ngắn khi mô hình cầu vẫn đang ở giai đoạn phát triển ban đầu, sau đó dần trưởng thành, phát triển các sợi nhánh và sợi trục, đồng thời mở rộng vào bên trong và bề mặt để xây dựng một mạng lưới thần kinh đơn giản và hoàn chỉnh. Các kết quả liên quan gần đây đã được công bố trên tạp chí Advanced Science.
Dự án do Michael Levin, Giáo sư Sinh học Vannevar Bush tại Đại học Tufts và Haleh Fotowat của Viện Wyss đồng chủ trì, là một phần trong nỗ lực nghiên cứu lớn hơn nhằm tìm hiểu cách các nhóm tế bào tự tổ chức thành các cấu trúc phức tạp trong môi trường xa lạ. Các nhà nghiên cứu hy vọng rằng loại hệ thống "từ đầu" này có thể tiết lộ các quy tắc cơ bản về hình thành và hình thành hệ thần kinh, từ đó cung cấp cơ sở lý thuyết cho sinh học tổng hợp và y học tái tạo, có thể được sử dụng để thiết kế các cấu trúc sinh học mới hoặc sửa chữa các mô bị tổn thương trong tương lai.
Trong các thí nghiệm cụ thể, nhóm nghiên cứu lần đầu tiên phân lập các tế bào da tiền thân từ phôi Xenopus laevis giai đoạn đầu. Những tế bào này tập hợp một cách tự nhiên thành các cấu trúc hình cầu nhỏ trong đĩa nuôi cấy và bề mặt của chúng được bao phủ bởi lông mao dày đặc (tế bào có nhiều lông). Sự chuyển động phối hợp của lông mao cho phép "robot tế bào ếch" ban đầu bơi trong nước. Sau khi thêm các tế bào tiền thân thần kinh vào cơ sở này, "neurobot" được hình thành đã thay đổi hình dạng đáng kể so với trước đây, nhìn chung trở nên to hơn và mảnh mai hơn.
Quan sát bằng kính hiển vi cho thấy các tế bào thần kinh nhúng này không chỉ phát triển các cấu trúc đuôi gai và sợi trục điển hình mà còn biểu hiện các dấu hiệu protein liên quan đến khớp thần kinh, cho thấy các kết nối giữa các tế bào đã được thiết lập và có khả năng truyền tín hiệu. Thông qua công nghệ hình ảnh canxi, các nhà nghiên cứu xác nhận thêm rằng các tế bào thần kinh bên trong robot thần kinh có khả năng hoạt động điện và hình thành mạng lưới thần kinh chức năng đơn giản hóa.
Việc bổ sung hệ thống thần kinh cũng làm thay đổi đáng kể hành vi của những cỗ máy sống này. So với robot sinh học không có tế bào thần kinh, robot thần kinh có các hoạt động tổng thể thường xuyên hơn và quỹ đạo chuyển động phức tạp hơn, thể hiện các kiểu chuyển động lặp đi lặp lại thay vì các đường thẳng đơn giản hoặc bước đi ngẫu nhiên. Để kiểm tra vai trò của hoạt động thần kinh trong hành vi, nhóm nghiên cứu đã sử dụng pentylenetetrazole, một loại thuốc được biết là có tác động đến hoạt động của não và gây ra phản ứng dạng động kinh, đồng thời quan sát tác động của nó đối với sự chuyển động của các cấu trúc sống này. Kết quả cho thấy loại thuốc này thay đổi mô hình chuyển động của robot thần kinh theo cách hoàn toàn khác so với trên các máy sinh học không chứa tế bào thần kinh, cho thấy mạng lưới thần kinh mới hình thành đang tích cực định hình hành vi của những “cỗ máy” này.
Fotovater cho biết, công việc này không chỉ nhằm bổ sung một "bộ điều khiển" cho robot sinh học mà quan trọng hơn là đảo ngược các nguyên tắc bên trong của sự hình thành hệ thần kinh. Bà chỉ ra rằng so với việc theo dõi cách tế bào thần kinh tham gia vào việc tạo ra hành vi ở động vật trưởng thành như cá ngựa vằn, robot thần kinh cung cấp nền tảng để xây dựng hệ thống thần kinh "từ đầu" để chúng có thể khám phá: "Đặt tế bào thần kinh vào một tình huống hoàn toàn chưa từng có, chúng sẽ được tổ chức thành các mạng theo những quy tắc bẩm sinh nào?" cơ thể." Trong các mô hình thí nghiệm truyền thống, cơ thể và hệ thần kinh thường trải qua một lịch sử đồng tiến hóa lâu dài, trong khi robot thần kinh là sự kết hợp hoàn toàn mới không có nền tảng tiến hóa, giúp bóc tách các yếu tố học tập và tiến hóa, đồng thời quan sát trực quan cách các tế bào và mạng lưới hoạt động cùng nhau trong các cấu trúc vật lý.
Ngoài những thay đổi về hình thái và hành vi, các nhà nghiên cứu còn phát hiện ra các kiểu biểu hiện gen khá bất ngờ ở các robot thần kinh. Ngoài các gen liên quan đến các thụ thể chính của não, nhóm nghiên cứu còn phát hiện sự kích hoạt của một số gen liên quan đến xử lý thị giác, bao gồm các gen thường biểu hiện ở các tế bào nhạy cảm với ánh sáng trong mắt. Điều này có nghĩa là nếu tuổi thọ của nó được kéo dài hơn nữa và điều kiện nuôi cấy được tối ưu hóa thì robot thần kinh có thể phát triển khả năng phản ứng với ánh sáng trong tương lai.
Levine đề xuất một giả thuyết khá hướng tới tương lai: Những robot thần kinh này có thể "điều chỉnh trước" một số mô-đun gen nhất định hữu ích cho các chức năng tiềm năng trong tương lai nhằm chuẩn bị cho quá trình tiến hóa chức năng tiếp theo. “Nếu chúng sống lâu hơn, liệu chúng có phát triển thêm các cơ quan cảm quang thực sự không?” Ông cho biết đây là câu hỏi mà nhóm hiện đang tích cực khám phá.
Các nhà nghiên cứu chỉ ra rằng nếu muốn "xây dựng những thứ mới" bằng vật liệu sinh học, trước tiên bạn phải hiểu cách tế bào tự giải quyết vấn đề và đưa ra "quyết định" trong môi trường xa lạ. Neurorobots chỉ là một nền tảng thử nghiệm: chúng không có chương trình phát triển được thiết lập sẵn và không có khuôn mẫu cấu trúc nào do chọn lọc tự nhiên để lại, nhưng chúng vẫn thể hiện khả năng tự tổ chức, hình thành mạng lưới và tạo ra các hành vi. Điều này không chỉ thách thức sự hiểu biết truyền thống của chúng ta về ranh giới giữa "cơ thể" và "hệ thần kinh", mà còn mở ra trí tưởng tượng cho các hệ thống sống có thể lập trình trong tương lai, chẳng hạn như các thiết bị y tế vi mô tự phục hồi và các thành phần kỹ thuật mô thông minh.