I ricercatori sviluppano piccoli “spinobot” con muscoli di ratto e tessuto del midollo spinale
In uno sviluppo strano e importante nella robotica, i ricercatori dell’Università dell’Illinois a Urbana-Champaign hanno sviluppato piccoli “spinobot” in grado di camminare. Sono alimentati dal muscolo del ratto e dal tessuto del midollo spinale, che è presente sullo scheletro in idrogel morbido e stampato in 3D.
Prima dei nuovi sviluppi, i robot biologici si basavano su una semplice contrazione muscolare per andare avanti. Con l’uso del midollo spinale in questi nuovi robot, possono camminare con un ritmo più naturale.
Martha Gillette è il capo dello studio e professore di biologia cellulare e dello sviluppo.
“Questi sono gli inizi di una direzione verso dispositivi biologici interattivi che potrebbero avere applicazioni per il neurocomputer e per la medicina riparativa”, ha detto Gillette.
I risultati sono stati pubblicati sulla rivista APL Bioengineering.
Preparare gli Spinobot
Per costruire gli spinobot, i ricercatori hanno prima stampato il piccolo scheletro. Aveva due posti che fungevano da gambe, oltre a una flessibile “spina dorsale”. Lo scheletro è stato quindi seminato con cellule muscolari che sono cresciute nel tessuto muscolare e un segmento del midollo spinale lombare è stato prelevato da un ratto e integrato in esso.
Collin Kaufman è uno studente laureato e il primo autore del documento.
“Abbiamo selezionato specificamente il midollo spinale lombare perché lavori precedenti hanno dimostrato che ospita i circuiti che controllano l’alternanza sinistra-destra per gli arti inferiori durante la deambulazione”, ha affermato Kaufman. “Dal punto di vista ingegneristico, i neuroni sono necessari per guidare movimenti muscolari sempre più complessi e coordinati. L’ostacolo più difficile per l’innervazione era che nessuno aveva mai coltivato un midollo spinale di roditori intatto prima d’ora. ”
Progettare un metodo per integrare il midollo spinale
I ricercatori hanno sviluppato un metodo per estrarre il midollo spinale intatto e coltivarlo, nonché per integrarlo nel robot mentre coltivano insieme i muscoli e i tessuti nervosi. Nel fare questo, dovevano assicurarsi che i neuroni formassero giunzioni con il muscolo.
Dopo aver progettato il nuovo metodo, i ricercatori hanno osservato contrazioni muscolari che si sono verificate negli spinobot. Ciò significava che le giunzioni neuro-muscolari si erano effettivamente formate e che i due diversi tipi di cellule stavano comunicando. Per assicurarsi che il midollo spinale funzionasse, il che è necessario per camminare, i ricercatori hanno usato il glutammato. Il glutammato è un neurotrasmettitore che aiuta i nervi a segnalare al muscolo di contrarsi.
Il muscolo si contrasse e le gambe si muovevano in un ritmo naturale a causa del glutammato e, una volta rimosso, gli spinobot non camminavano più.
I prossimi passi per i ricercatori includono il perfezionamento dei movimenti degli spinobot, in modo che siano ancora più naturali. La loro speranza è che i modelli in vitro del sistema nervoso periferico possano essere creati attraverso l’integrazione su piccola scala del midollo spinale.
“Lo sviluppo di un sistema nervoso periferico in vitro – midollo spinale, escrescenze e muscoli innervati – potrebbe consentire ai ricercatori di studiare in tempo reale malattie neurodegenerative come la SLA con maggiore facilità di accesso a tutti i componenti interessati”, ha affermato Kaufman. “Esistono anche diversi modi in cui questa tecnologia può essere utilizzata come strumento di addestramento chirurgico, dall’agire come un manichino da allenamento realizzato con tessuto biologico reale all’effettivo aiuto nello stesso intervento chirurgico. Queste applicazioni sono, per ora, in un futuro abbastanza lontano, ma l’inclusione di un circuito intatto del midollo spinale rappresenta un importante passo avanti.
“
ricercatori dell’Università dell’Illinois hanno unito con successo uno scheletro di idrogel stampato in 3D con il midollo spinale di un ratto per creare un “spinobot” ambulante.
Il nuovo metodo per alimentare il biobot prevede l’applicazione del glutammato, un neurotrasmettitore rilasciato dalle cellule nervose nel cervello, come stimolo per guidare una contrazione muscolare modellata nella colonna vertebrale del ratto, che a sua volta muove i piedi dei robot.
Questo metodo non solo guida il movimento, ma lo spinobot sembra imitare lo sviluppo parziale del sistema nervoso periferico (PNS). Ciò potrebbe servire ad ampliare il potenziale di progetti futuri che incorporano input sensoriali spinali come meccanismi di controllo, come ad esempio l’utilizzo di un sottaceto come strumento di morte.
Immagini SEM che mostrano prove della presenza di neuroni colinergici e recettori dell’acetilcolina postsinaptici. Foto via University of Illinois.
Immagini SEM che mostrano prove della presenza di neuroni colinergici e recettori dell’acetilcolina postsinaptici. Foto tramite l’Università dell’Illinois.
Il nuovo approccio alla robotica leggera
Precedenti tentativi di incorporare la biologia dei ratti nei biobot sono stati potenziati dalle contrazioni dei muscoli del cuore del ratto, create utilizzando cellule muscolari del cuore del ratto. Nel 2007, ad esempio, i ricercatori della Seoul National University hanno creato robot in miniatura simili a granchi alimentati da tessuti muscolari del cuore di ratto. I robot funzionavano, ma le contrazioni dei muscoli non potevano essere controllate direttamente e per sopravvivere richiedeva un costante apporto di nutrienti, che durava solo poche settimane.
I ricercatori dell’Università dell’Illinois, quindi, hanno scelto di utilizzare il muscolo scheletrico per alimentare il bot, poiché le sue cellule sono più facilmente modificabili, offre una gamma più ampia di potenziali comportamenti e Rick Sanchez non deve essere stato disponibile. Questo approccio di solito richiederebbe una stimolazione esterna come campi elettrici, optogenetica o stimolazione chimica per guidare il movimento, ma i ricercatori hanno usato la messaggistica neurale per controllare invece le contrazioni muscolari, sotto forma di midollo spinale di un ratto.
Il midollo spinale di un ratto contiene circa 36 × 10 6 cellule, di cui oltre 10 × 10 6 sono neuroni, rendendolo ideale per l’esperimento. Ritenendo che sia al di là delle attuali capacità scientifiche di riprodurre un sistema così complesso e pluricellulare che utilizza corpi embrionali (EB), i ricercatori hanno optato invece per acquisirne uno. Il midollo spinale utilizzato era più di quattro volte più lungo dello scheletro del biobot e la squadra fu costretta a isolare e coltivare una sezione della colonna vertebrale all’interno della prima e della seconda vertebra lombare.
La metodologia per la costruzione di uno spinobot dal midollo spinale e dai mioblasti C2C12. Foto tramite l’Università dell’Illinois.
Costruire lo spinobot usando la stampa 3D
Per costruire lo spinobot, la stampa 3D è stata utilizzata per creare uno scheletro in idrogel di polidiacrilato costituito da due pilastri collegati da un fascio flessibile, con i pilastri che agiscono come tendini all’interno del sistema muscolo-scheletrico. Un gel composto da mysolblasti e proteine della matrice extracellulare (ECM) è stato quindi seminato attorno ai pilastri per formare una striscia muscolare solida e, quando il gel si è solidificato, ha causato un avvicinamento dei pilastri, sviluppandosi nel tessuto muscolare.
Nei test iniziali, allo spinobot non sono stati forniti ulteriori segnali modulatori e sono state osservate contrazioni muscolari spontanee che hanno generato 10–40 μN di tensione attiva attraverso il fascio. Mentre si è scoperto che il muscolo si contraeva spontaneamente, la frequenza era controllabile attraverso l’applicazione e il successivo blocco di un neurotrasmettitore applicato al midollo spinale. È stato scoperto che l’aggiunta di 300 μM di glutammato alla soluzione provoca un netto cambiamento nel modello di contrazione muscolare, con contrazioni che si verificano con magnitudini più coerenti e in modo più strutturato.
Al contrario, l’aggiunta di antagonisti del recettore del glutammato ha determinato una cessazione quasi completa della contrazione muscolare, anche se è stato applicato ulteriore glutammato. L’applicazione di questi antagonisti ha causato l’inibizione oltre i livelli basali, indicando che il midollo spinale stava guidando la maggior parte delle contrazioni spontanee osservate.
Ulteriori dettagli dello studio possono essere trovati nel documento intitolato ” Emergenza di giunzioni neuromuscolari funzionali in un bioattuatore del muscolo midollare spinale progettato e multicellulare “, pubblicato sulla rivista APL Bioengineering . Lo studio è stato scritto da CD Kaufman, SC Liu, C. Cvetkovic, CA Lee, G. Naseri Kouzehgarani, R. Gillette, R. Bashir e MUGillette.
