Саламандры обладают уникальной суперсилой – они могут регенерировать свой спинной мозг и восстановить полную функциональность. Ученые работают в рамках междисциплинарного исследовательского проекта, чтобы раскрыть механизмы, лежащие в основе этой восстановительной способности.
«Саламандры уникальны, потому что они одни из немногих четвероногих, способных полностью восстановить спинной мозг», – говорит Ауке Айспеерт, руководитель лаборатории биоробототехники EPFL. После травмы эти амфибии могут «волшебным образом» отрастить спинной мозг и восстановить передвижение.
Группа ученых во главе с Эйспертом вместе с Андрашем Симоном, профессором Каролинского института в Швеции, и Дмитрием Рыцко, доцентом лаборатории контроля моторики Университета Шербрука в Канаде, изучают, как именно работает этот процесс с помощью проект, который только что получил синергетический грант Европейского исследовательского совета.
Расшифровка нейронных механизмов
Ученые планируют объединить методы геномики, нейробиологии, компьютерного моделирования и биороботики, чтобы расшифровать нейронные механизмы, лежащие в основе регенерации спинного мозга. «Нервная система саламандры имеет все те же функциональные элементы, что и у млекопитающего, но имеет относительно упрощенную структуру», – говорит Рычко. «Это делает саламандр идеальными животными для изучения сетей управления моторикой позвоночных».
Их исследование также направлено на лучшее понимание того, как центральная и периферическая нервные системы взаимодействуют во время передвижения. «Спинной мозг является частью центральной нервной системы, служащей центром управления движением», – говорит Айспеерт. Ученые уже наблюдали, как нейронные сети в изолированном спинном мозге колеблются сами по себе и выдают правильные команды для движения. «Это удивительно, потому что это означает, что спинной мозг автоматически знает, какие сигналы он должен посылать мышцам, чтобы регулировать их движение, без необходимости участия остального тела». Но не только спинной мозг находится в диспетчерской. Также присутствует периферическая нервная система, которая передает сенсорную информацию об окружающем теле в центральную нервную систему и участвует в управлении движением.
Преимущества междисциплинарных исследований
Чтобы проверить свою гипотезу, ученые объединят свои ноу-хау в своих областях. Рычко будет использовать свои знания о биологических механизмах моторного контроля, чтобы изучить структуру нейронных сетей. Он будет использовать оптогенетику – метод, который включает повышение чувствительности нейронов к свету, а затем стимуляцию определенных типов нервных клеток – для измерения активности нейронов до и после травмы спинного мозга. Саймон, специалист по регенерации нервов, охарактеризовал геном саламандры; он предоставит оптогенетические инструменты, необходимые для работы Рычко, и изучит молекулярные свойства регенерированных нейронных сетей.
Наконец, Айспеерт и его команда разработают компьютерные модели нейронных сетей и предоставят знания в области биоробототехники, чтобы модели можно было тестировать не только с помощью моделирования, но и на усовершенствованной версии робота-саламандры Pleurobot. «Мы создадим своего рода тактильную кожу для робота», – говорит Айспеерт. «Поскольку сложно смоделировать взаимодействие тела саламандры с окружающей средой – песком, водой, грязью и т. д., – мы воспроизведем их с помощью робота. Это покажет нам, как окружение животного влияет на его передвижение и предоставит ценную информацию о взаимодействие организма с нервной системой”.
Преодоление разрыва
Саймон добавляет: «Саламандры являются единственными позвоночными , которые имеют как двигательную схему на тетрапод и способность к регенерации нейронов эволюционное положение. Саламандр дает нам уникальную возможность преодолеть открытия , сделанные в регенеративных но безногих позвоночных животных, таких как рыба, и нерегенеративные, наземные млекопитающие”.
Хотя этот проект в основном ориентирован на фундаментальные исследования, Айспеерт все еще видит потенциальные применения в своей области. «Мы надеемся, что однажды концепции надежных механизмов и регенерации могут быть перенесены в робототехнику, чтобы инженеры могли создавать отказоустойчивые машины, которые продолжат работать, несмотря на повреждения их электронного и механического оборудования», – говорит он.