Рыба-робот расскажет, как работает наше сердце

Что можно изготовить из сердечной мышцы человека? Большинство из нас этот вопрос поставил бы в тупик, но вот специалисты из Гарварда и Университета Эмори нашли этому органу неожиданное применение: разработали на основе его полностью автономную биогибридную рыбу-робота. Помимо клеток человеческого сердца, в состав механизма входят бумага и гидрогель. Воссоздавая сердечные мышечные сокращения, система позволяет роботу плавать в воде.

Рыбка данио-рерио

Немного о данио

Как следует из статьи, опубликованной в журнале Science, в основе устройства весом 25 миллиграммов лежат кардиомиоциты, полученные из стволовых клеток человека. Именно они, формируя аналог хвостового плавника, позволяют биомеханическому роботу имитировать движение рыбки данио, которая часто используется учёными как объект для исследований.

Так, нейробиологи из Университета Южной Калифорнии недавно провели серию опытов с такими рыбками (их чаще называют рыбками-зебрами) для изучения процесса формирования воспоминаний. Головы данио практически прозрачны, и их мозговую активность проще отслеживать. К тому же подопытных рыбок генетически модифицировали, чтобы синапсы их мозга (так называют "связки" между нейронами) флуоресцировали. Затем учёные наблюдали за ними в лазерный микроскоп.

В процессе эксперимента был применён так называемый Павловский метод, позволяющий создавать у рыбок новые воспоминания. Оказалось, что когда рыбкам наносились травмы, они хорошо запоминали это и соответственно корректировали своё поведение. Например, головы подопытных нагревали инфракрасным лучом (мощный стимул) и те начинали махать хвостом, чтобы уплыть от источника горячего излучения. Постепенно к инфракрасному излучению стали добавлять видимый свет (нейтральный стимул). И в конце концов рыбки начинали махать хвостами, даже если инфракрасных лучей не было: у них возникала ассоциация с жарой.

Специалистам удалось составить трёхмерную карту мозга рыбок-зебр, после чего они смогли фиксировать на ней изменения в мозгу рыб. Выяснилось, что в процессе образования каждого нового воспоминания или ассоциации старые синапсы уничтожались и формировались новые. Так рыбки усваивали, что от света и тепла нужно уплывать.

Принцип растяжения

Сердце

Но в экспериментах с роботом живые рыбки никак не участвовали. Зато был использован принцип движения данио в дикой природе.

В системе используются два слоя мышечных клеток (бислой). Когда один из них растягивается, другой сжимается. При растяжении открываются механочувствительные белковые каналы, что приводит к сокращению, затем к растяжению и так далее. Таким образом обеспечивается 108-дневный цикл автономной работы устройства.

Чтобы осуществлять вторичный контроль за этими циклами, инженеры построили из тех же кардиомиоцитов аналог сердечного синусового узла — G-узел. Его задача — посылать электрические сигналы мышцам плавника, таким образом выполняя роль кардиостимулятора. Благодаря этому удавалось координировать движения тела и плавника, и механическая рыба смогла увеличить скорость до 15 миллиметров в секунду.

Изучить сердце

По мере созревания клеток скорость, амплитуда мышечных сокращений и координация мышц возрастали. В конце концов робот достиг скорости плавания, характерной для натуральных рыбок данио.

Авторы разработки заявили, что на этой платформе можно будет в дальнейшем не только создавать сложные самоподдерживающиеся биомеханические устройства, но и изучать естественные механизмы работы сердца человека в медицинских целях.