पहले के "फ्रॉग सेल लिविंग रोबोट" (ज़ेनोबॉट्स) के आधार पर, टफ्ट्स यूनिवर्सिटी और हार्वर्ड यूनिवर्सिटी के वाइस इंस्टीट्यूट की वैज्ञानिक अनुसंधान टीम ने एक बार फिर बायोइंजीनियरिंग की सीमाओं को आगे बढ़ाया और अपने स्वयं के तंत्रिका तंत्र के साथ एक नई लघु जीवित मशीन बनाई - "न्यूरोबॉट्स"। इसने स्व-संगठित तंत्रिका नेटवर्क और अधिक जटिल व्यवहार पैटर्न का प्रदर्शन किया, यह समझने के लिए एक नई विंडो प्रदान की कि जीव कार्यात्मक संरचनाएं कैसे बनाते हैं।
2020 की शुरुआत में, टफ्ट्स विश्वविद्यालय के शोधकर्ताओं ने माइक्रोन-स्केल "रोबोट-जैसी" जैविक संरचना-मेंढक सेल रोबोट बनाने के लिए ज़ेनोपस लाविस भ्रूण कोशिकाओं का उपयोग किया। वे पानी में चल सकते हैं, खुद की मरम्मत कर सकते हैं और यहां तक कि बिखरी हुई कोशिकाओं को इकट्ठा करके नए जीव पैदा कर सकते हैं। संरचनाएं, जो मचान या आनुवंशिक संशोधन के बिना पूरी तरह से जीवित कोशिकाओं से स्वयं-इकट्ठी होती हैं, लगभग 9 से 10 दिनों तक जीवित रहती हैं और जीवित रहने के लिए मूल भ्रूण कोशिकाओं में संग्रहीत पोषक तत्वों पर निर्भर होती हैं। इस आधार पर, शोध दल खोज कर रहा है: यदि ये जीवित संरचनाएं तंत्रिका तंत्र से "सुसज्जित" होतीं तो क्या होता?
नवीनतम शोध में, वैज्ञानिकों ने तंत्रिका अग्रदूत कोशिकाओं के एक समूह को एक निर्माणाधीन जैविक रोबोट में प्रत्यारोपित किया जो न्यूरॉन्स में विकसित होकर एक तथाकथित "न्यूरोबोट" बनाएगा। जब गोलाकार ऊतक अभी भी विकास के प्रारंभिक चरण में होता है, तब ये कोशिकाएं अल्प समय की खिड़की में अंतर्निहित होती हैं, और फिर धीरे-धीरे परिपक्व होती हैं, डेंड्राइट और अक्षतंतु विकसित करती हैं, और एक सरल और पूर्ण तंत्रिका नेटवर्क बनाने के लिए आंतरिक और सतह तक विस्तारित होती हैं। प्रासंगिक परिणाम हाल ही में एडवांस्ड साइंस जर्नल में प्रकाशित हुए थे।
टफ्ट्स विश्वविद्यालय में जीव विज्ञान के वन्नेवर बुश प्रोफेसर माइकल लेविन और वाइस इंस्टीट्यूट के हले फोटोवाट के सह-नेतृत्व में यह परियोजना यह समझने के लिए एक बड़े शोध प्रयास का हिस्सा है कि कैसे कोशिकाओं के समूह अपरिचित वातावरण में जटिल संरचनाओं में स्वयं व्यवस्थित होते हैं। शोधकर्ताओं को उम्मीद है कि इस प्रकार की "शुरुआत से" प्रणाली तंत्रिका तंत्र के गठन और आकार देने के बुनियादी नियमों को प्रकट कर सकती है, जिससे सिंथेटिक जीव विज्ञान और पुनर्योजी चिकित्सा के लिए एक सैद्धांतिक आधार प्रदान किया जा सकता है, जिसका उपयोग भविष्य में नई जैविक संरचनाओं को डिजाइन करने या क्षतिग्रस्त ऊतकों की मरम्मत के लिए किया जा सकता है।
विशिष्ट प्रयोगों में, टीम ने सबसे पहले प्रारंभिक ज़ेनोपस भ्रूण से पूर्ववर्ती त्वचा कोशिकाओं को अलग किया। ये कोशिकाएँ स्वाभाविक रूप से एक कल्चर डिश में छोटी गोलाकार संरचनाओं में एकत्रित होती हैं, और उनकी सतहें घने सिलिया (बहु-सिलिअटेड कोशिकाओं) से ढकी होती हैं। सिलिया का समन्वित स्विंग मूल "मेंढक सेल रोबोट" को पानी में तैरने की अनुमति देता है। इस आधार पर तंत्रिका अग्रदूत कोशिकाओं को जोड़ने के बाद, गठित "न्यूरोबोट" ने अतीत की तुलना में अपना आकार काफी बदल लिया है, कुल मिलाकर बड़ा और अधिक पतला हो गया है।
सूक्ष्म अवलोकन से पता चला कि इन एम्बेडेड न्यूरॉन्स ने न केवल विशिष्ट डेंड्राइटिक और एक्सोनल संरचनाएं विकसित कीं, बल्कि सिनैप्स-संबंधित प्रोटीन मार्कर भी व्यक्त किए, जो दर्शाता है कि कोशिकाओं के बीच संबंध स्थापित हो गए थे और सिग्नल ट्रांसमिशन में सक्षम थे। कैल्शियम इमेजिंग तकनीक के माध्यम से, शोधकर्ताओं ने आगे पुष्टि की कि न्यूरोरोबोट के अंदर न्यूरॉन्स विद्युत गतिविधि में सक्षम हैं और एक सरलीकृत कार्यात्मक तंत्रिका नेटवर्क बनाते हैं।
तंत्रिका तंत्र के जुड़ने से इन जीवित मशीनों के व्यवहार में भी महत्वपूर्ण परिवर्तन आता है। न्यूरॉन्स के बिना जैविक रोबोटों की तुलना में, न्यूरोरोबोट्स में अधिक लगातार समग्र गतिविधियां और अधिक जटिल आंदोलन प्रक्षेपवक्र होते हैं, जो सरल सीधी रेखाओं या यादृच्छिक चलने के बजाय दोहराव वाले आंदोलन पैटर्न दिखाते हैं। व्यवहार में तंत्रिका गतिविधि की भूमिका का परीक्षण करने के लिए, टीम ने पेन्टीलेनेटेट्राज़ोल का उपयोग किया, जो मस्तिष्क गतिविधि को प्रभावित करने और मिर्गी जैसी प्रतिक्रियाओं को प्रेरित करने के लिए जानी जाने वाली दवा है, और इन जीवित संरचनाओं की गति पर इसके प्रभाव को देखा। नतीजे बताते हैं कि दवा न्यूरोरोबोट्स के आंदोलन पैटर्न को जैविक मशीनों की तुलना में पूरी तरह से अलग तरीके से बदलती है जिनमें न्यूरॉन्स नहीं होते हैं, यह दर्शाता है कि नवगठित तंत्रिका नेटवर्क सक्रिय रूप से इन "मशीनों" के व्यवहार को आकार दे रहे हैं।
फोटोवेट ने कहा कि यह काम न केवल जैविक रोबोट में एक "नियंत्रण इकाई" जोड़ना है, बल्कि इससे भी महत्वपूर्ण बात यह है कि तंत्रिका तंत्र के गठन के आंतरिक सिद्धांतों को उलटना है। उन्होंने बताया कि ज़ेब्राफिश जैसे परिपक्व जानवरों में व्यवहार के उत्पादन में न्यूरॉन्स कैसे भाग लेते हैं, इस पर नज़र रखने की तुलना में, न्यूरोरोबोट्स "स्क्रैच से" तंत्रिका तंत्र बनाने के लिए एक मंच प्रदान करते हैं, ताकि हम पूछ सकें: "न्यूरॉन्स को पूरी तरह से अभूतपूर्व स्थिति में रखें, वे किस जन्मजात नियमों के अनुसार नेटवर्क में व्यवस्थित होंगे?"
लेविन ने इस बात पर जोर दिया कि न्यूरोरोबोटिक्स यह अध्ययन करने का एक अनूठा अवसर प्रदान करता है कि "तंत्रिका नेटवर्क किसी शरीर के साथ प्रणाली में गति और व्यवहार को कैसे प्रभावित करते हैं।" पारंपरिक प्रायोगिक मॉडल में, शरीर और तंत्रिका तंत्र ने अक्सर सह-विकास के एक लंबे इतिहास का अनुभव किया है, जबकि न्यूरोरोबोट विकासवादी पृष्ठभूमि के बिना एक बिल्कुल नया संयोजन है, जो सीखने और विकासवादी कारकों को दूर करने में मदद करता है और सहजता से निरीक्षण करता है कि कोशिकाएं और नेटवर्क भौतिक संरचनाओं में एक साथ कैसे काम करते हैं।
रूपात्मक और व्यवहारिक परिवर्तनों के अलावा, शोधकर्ताओं ने न्यूरोबॉट्स में अप्रत्याशित जीन अभिव्यक्ति पैटर्न की भी खोज की। प्रमुख मस्तिष्क रिसेप्टर्स से संबंधित जीनों के अलावा, टीम ने दृश्य प्रसंस्करण में शामिल कई जीनों की सक्रियता का भी पता लगाया, जिनमें सामान्य रूप से आंखों में प्रकाश-संवेदनशील कोशिकाओं में व्यक्त जीन भी शामिल हैं। इसका मतलब यह है कि यदि इसका जीवनकाल और बढ़ाया जाता है और संस्कृति की स्थितियों को अनुकूलित किया जाता है, तो न्यूरोरोबोट भविष्य में प्रकाश पर प्रतिक्रिया करने की क्षमता विकसित कर सकते हैं।
लेविन ने एक भविष्योन्मुखी परिकल्पना का प्रस्ताव रखा: ये न्यूरोरोबोट बाद के कार्यात्मक विकास की तैयारी में संभावित भविष्य के कार्यों के लिए उपयोगी कुछ जीन मॉड्यूल को "पूर्व-अपग्रेड" कर सकते हैं। "यदि वे लंबे समय तक जीवित रहते हैं, तो क्या वे सच्चे फोटोरिसेप्टर विकसित कर पाएंगे?" उन्होंने कहा कि यह एक ऐसा प्रश्न है जिस पर टीम वर्तमान में सक्रिय रूप से विचार कर रही है।
शोधकर्ताओं ने बताया कि जैविक सामग्रियों के साथ "पूरी तरह से नई चीजें बनाने" के लिए, किसी को पहले यह समझना होगा कि कोशिकाएं स्वयं समस्याओं को कैसे हल करती हैं और अपरिचित वातावरण में "निर्णय" कैसे लेती हैं। न्यूरोरोबोट्स एक ऐसा प्रायोगिक मंच है: उनके पास कोई स्थापित विकास कार्यक्रम नहीं है और प्राकृतिक चयन द्वारा कोई संरचनात्मक टेम्पलेट नहीं छोड़ा गया है, लेकिन वे अभी भी स्वयं को व्यवस्थित करने, नेटवर्क बनाने और व्यवहार उत्पन्न करने की क्षमता दिखाते हैं। यह न केवल "शरीर" और "तंत्रिका तंत्र" के बीच की सीमा की हमारी पारंपरिक समझ को चुनौती देता है, बल्कि भविष्य में प्रोग्राम करने योग्य जीवित प्रणालियों, जैसे स्व-उपचार सूक्ष्म चिकित्सा उपकरणों और बुद्धिमान ऊतक इंजीनियरिंग घटकों के लिए कल्पना को भी खोलता है।