科學家創(chuàng)造出“神經機器人”——擁有自身神經系統(tǒng)的活體機器

通過神經機器人合成所有切片圖像，顯示表面多纖細胞和中心神經元。圖片來源：Haleh Fotowathttps://scitechdaily.com/scientists-create-neurobots-living-machines-with-their-own-nervous-systems/

神經機器人——擁有神經元的異種機器人——展現出自組織的神經系統(tǒng)和增強的行為，揭示了生物學如何構建功能結構的新見解。

2020年，塔夫茨大學的研究人員利用青蛙細胞開發(fā)了被稱為異種機器人的微型生命結構。這些微觀生物能夠在水中移動、自我修復，甚至收集松散的細胞以形成新的異形機器人。

塔夫茨大學和懷斯研究所的科學家們現在進一步推動這項工作，將神經細胞引入這些生物機器中。升級版被稱為神經機器人，可以變換形狀，并展現新的運動模式。這些發(fā)現最近發(fā)表在《高級科學》雜志上。

該研究由生物學范尼瓦·布什教授邁克爾·萊文和懷斯研究所的哈萊·福托瓦特領導，是更廣泛理解細胞群體如何在陌生條件下組織成復雜結構的更廣泛努力的一部分。這些知識有望支持合成生物學和再生醫(yī)學的進步。研究神經機器人可能揭示指導神經系統(tǒng)形成的底層規(guī)則，最終幫助科學家設計新的生物結構或修復受損組織。

從青蛙細胞構建生命系統(tǒng)

團隊從非洲爪蛙（Xenopus laevis）早期胚胎中提取的細胞開始。當這些胚胎的前體皮膚細胞被分離并放入培養(yǎng)皿中時，它們自然組裝成覆蓋著細小毛狀突起的圓形小結構，稱為纖毛。

一個神經機器人染色以突出多纖細胞——機器人周邊有小簇毛狀纖毛——以及中央看到的樹突和軸突的神經元延伸。圖片來源：Haleh Fotowat

這些纖毛的協調運動使異種機器人（一種生物機器人）能夠在水中游泳。它們完全是生物結構，且沒有支架或基因改造而制造。這些生物體可以自我修復，利用原始胚胎細胞中儲存的營養(yǎng)物質存活約9到10天。研究人員已經研究了它們的結構和行為，想看看添加神經元會如何改變它們，尤其是這些系統(tǒng)沒有進化歷史塑造其神經組織。

添加神經元：創(chuàng)造神經機器人

為了制造神經機器人，科學家們將神經前體細胞簇插入形成生物機器人的中心，這些細胞后來發(fā)展成神經元。這發(fā)生在球形結構還在發(fā)育的短暫階段。植入的細胞成熟，并將稱為軸突和樹突的分支結構向內部及表面延伸。

“我們想弄清楚，如果我們?yōu)檫@些生物機器人提供構建神經系統(tǒng)所需的原材料，會發(fā)生什么，”塔夫茨大學艾倫發(fā)現中心主任萊文說。他解釋說，神經機器人為研究神經元如何組織自身并影響運動提供了一種新途徑。萊文說：“這種方法不同，因為你現在擁有了一個能夠表現出行為的生物身體系統(tǒng)。”

福托瓦特表示，這項工作還旨在揭示神經系統(tǒng)形成的基本原理。“我試圖理解現存動物如斑馬魚的神經行為及其行為的產生方式，但神經機器人的目的是逆向工程。我們能否從一開始構建神經系統(tǒng)？如果將神經元置于完全不同的環(huán)境中會發(fā)生什么？它們組織和形成網絡的基本、先天規(guī)則是什么？”

神經活動與結構變化

顯微鏡顯示，神經機器人內部的神經元發(fā)展出了自然神經系統(tǒng)中存在的關鍵特征，包括軸突和樹突。研究人員還檢測到與突觸相關的蛋白質標記，突觸在神經元中進行交流。利用鈣成像，他們確認這些神經元具有電活動性，并在簡單的神經網絡中發(fā)揮作用。

一個神經機器人染色以突出多纖細胞——機器人周邊有小簇毛狀纖毛——以及中央看到的樹突和軸突的神經元延伸。圖片來源：Haleh Fotowat

神經元的加入帶來了明顯的變化。神經機器人通常比非神經機器人更大更細長。它們的運動也變得更加復雜。雖然兩種類型都能游泳，但神經機器人更活躍，表現出重復的運動模式，而非簡單的路徑。

為了研究神經活動如何影響行為，科學家們讓神經機器人接觸了戊二四唑，這是一種已知會影響大腦活動并引發(fā)癲癇的藥物。該藥物改變了神經機器人的運動方式，與非神經生物機器人不同，表明新形成的神經網絡正在積極塑造行為。這一結果表明，即使是簡單的自組織神經系統(tǒng)，也能影響這些生物結構的運動方式。

意外的遺傳活動與未來可能性

“如果你想用生物學創(chuàng)造新東西，首先我們得了解細胞本身如何解決問題，”福托瓦特說。

研究人員還觀察到了意想不到的基因活性。除了與主要腦受體相關的基因外，他們還發(fā)現了參與視覺處理的基因激活，包括與眼睛中光敏感細胞相關的基因。這提出了神經機器人最終可能對光做出反應的可能性。

“我們不知道，但我的假設是這些神經機器人正在上調基因組中可能對未來新功能有用的部分，”萊文說。“如果它們活得更久，是否也會發(fā)展出光感受器？這是一個我們正在積極研究的有趣問題。”

參考文獻：Haleh Fotowat、Laurie O'Neill、Léo Pio-Lopez、Megan M. Sperry、Patrick Erickson、Tiffany Lin 和 Michael Levin，《Advanced Science》2026年2月20日，《Advanced Science》。
DOI：10.1002/advs.202508967

該研究由美國國防部、約翰·坦普爾頓基金會和Northpond Ventures資助。

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