以前の「カエル細胞生体ロボット」（ゼノボット）に基づいて、タフツ大学ウィス研究所とハーバード大学の科学研究チームは再び生物工学の限界を押し広げ、独自の神経系を備えた新しい小型生体機械「ニューロボット」を作成しました。これは、自己組織化されたニューラル ネットワークとより複雑な行動パターンを実証し、生物がどのように機能構造を構築するかを理解するための新しい窓を提供しました。
2020年にはすでにタフツ大学の研究者らがアフリカツメガエルの胚細胞を使って、ミクロンスケールの「ロボットのような」生物学的構造体であるカエル細胞ロボットを構築していた。彼らは水中を移動し、自分自身を修復し、さらには散らばった細胞を集めて新しい個体を生成することができます。この構造は、足場や遺伝子組み換えを行わずに生細胞から完全に自己集合し、約 9 ～ 10 日間生存し、生き残るために元の胚細胞に蓄えられた栄養素に依存します。これに基づいて、研究チームは次のことを調査してきました：これらの生命構造に神経系が「装備されている」場合はどうなるでしょうか？
最新の研究では、科学者らは、ニューロンに発達する神経前駆細胞のグループを、いわゆる「ニューロボット」を形成するために建設中の生物学的ロボットに移植した。これらの細胞は、球状組織がまだ発生の初期段階にあるときの短い時間枠に埋め込まれ、その後徐々に成熟して樹状突起と軸索を成長させ、内部と表面にまで伸びて単純で完全な神経ネットワークを構築します。関連する結果は最近、Advanced Science 誌に掲載されました。
タフツ大学のヴァネバー・ブッシュ生物学教授マイケル・レビン氏とウィス研究所のハレ・フォトワット氏が共同主導したこのプロジェクトは、慣れない環境で細胞の集団がどのように自己組織化して複雑な構造を形成するかを理解するための大規模な研究活動の一環である。研究者らは、このタイプの「ゼロからの」システムが神経系の形成と形成の基本的な規則を明らかにし、それによって合成生物学と再生医療の理論的基盤を提供し、将来的には新しい生物学的構造の設計や損傷した組織の修復に使用できる可能性があると期待している。
具体的な実験では、研究チームはまずアフリカツメガエルの初期胚から前駆体皮膚細胞を単離した。これらの細胞は培養皿内で自然に小さな球状構造に集合し、その表面は密な繊毛（多繊毛細胞）で覆われています。繊毛の協調的なスイングにより、オリジナルの「カエル細胞ロボット」が水中を泳ぐことができます。これをベースに神経前駆細胞を加えた結果、形成された「ニューロボット」は従来と比べて形状が大きく変化し、全体的により大型かつ細長いものとなった。
顕微鏡観察により、これらの埋め込まれたニューロンは典型的な樹状突起および軸索構造を発達させるだけでなく、シナプス関連タンパク質マーカーも発現することが示され、これは細胞間の接続が確立され、シグナル伝達が可能であることを示している。研究者らは、カルシウムイメージング技術を通じて、ニューロロボット内のニューロンが電気活動可能であり、簡素化された機能的なニューラルネットワークを形成していることをさらに確認した。
神経系の追加により、これらの生きた機械の動作も大きく変わります。ニューロンを持たない生物学的ロボットと比較して、ニューロロボットは全体的な活動がより頻繁で、より複雑な運動軌跡を持ち、単純な直線やランダムな歩行ではなく、反復的な運動パターンを示します。行動における神経活動の役割をテストするために、研究チームは、脳活動に影響を与え、てんかん様反応を誘発することが知られている薬物であるペンチレンテトラゾールを使用し、これらの生体構造の動きに対するその影響を観察しました。その結果、この薬剤がニューロンを含まない生物学的機械とは全く異なる方法でニューロロボットの動作パターンを変化させることが示され、新たに形成されたニューラルネットワークがこれらの「機械」の動作を積極的に形成していることを示している。
フォトバット氏は、この研究は生物学的ロボットに「制御ユニット」を追加するだけでなく、より重要なことに、神経系形成の内部原理を逆転させることであると述べた。同氏は、ゼブラフィッシュなどの成熟した動物の行動生成にニューロンがどのように関与するかを追跡するのと比較して、ニューロロボットは神経系を「ゼロから」構築するプラットフォームを提供するため、「ニューロンを全く前例のない状況に置くと、ニューロンはどのような生来のルールに従ってネットワークを組織するのか？」と問うことができると指摘した。
レバイン氏は、ニューロロボティクスが「ニューラルネットワークが身体システムの動きや行動にどのような影響を与えるか」を研究するユニークな機会を提供すると強調した。従来の実験モデルでは、身体と神経系は長い共進化の歴史を経てきたことが多いのに対し、ニューロロボットは進化の背景を持たない真新しい組み合わせであり、学習と進化の要素を切り離して、物理的構造内で細胞とネットワークがどのように連携するかを直観的に観察するのに役立ちます。
研究者らは、形態学的および行動的な変化に加えて、ニューロロボットにおける予期せぬ遺伝子発現パターンも発見した。研究チームは、主要な脳受容体に関連する遺伝子に加えて、目の光感受性細胞で通常発現される遺伝子など、視覚処理に関与する多数の遺伝子の活性化も検出した。これは、神経ロボットの寿命がさらに延長され、培養条件が最適化されれば、将来、ニューロロボットが光に反応する能力を開発する可能性があることを意味します。
レビンは、将来の機能進化に備えて、これらのニューロロボットが潜在的な将来の機能に役立つ特定の遺伝子モジュールを「事前に上方制御」している可能性がある、という前向きな仮説を提案した。 「もし彼らが長生きしたら、真の光受容体はさらに発達するのでしょうか?」同氏は、これはチームが現在積極的に検討している問題であると述べた。
研究者らは、生物材料を使って「まったく新しいものを構築」するには、まず細胞自体がどのように問題を解決し、不慣れな環境で「意思決定」を行うのかを理解する必要があると指摘した。ニューロロボットはまさにそのような実験プラットフォームです。ニューロロボットには確立された発達プログラムや自然選択によって残された構造テンプレートはありませんが、それでも自己組織化し、ネットワークを形成し、行動を生成する能力を示します。これは、「身体」と「神経系」の境界についての私たちの従来の理解に疑問を投げかけるだけでなく、自己修復マイクロ医療機器やインテリジェントな組織工学コンポーネントなど、将来のプログラム可能な生命システムへの想像力を開きます。