Forscher am Wyss Institute der Harvard University und an der Tufts University haben winzige lebende Konstrukte aus Froschembryonalzellen entwickelt, die spontan funktionale Nervensysteme ausbilden \u2013 ein einmaliges Ergebnis, das die Grenze zwischen biologischem Roboter und neuartigem Organismus verwischt. Die Konstrukte, genannt \u201eNeurobots\u201c, entwickeln nicht nur ausgereifte Neuronen, sondern zeigen auch deutliche Ver\u00e4nderungen in K\u00f6rperform und Bewegung im Vergleich zu ihren nicht-neuronalen Gegenst\u00fccken. In Advanced Science ver\u00f6ffentlicht, werfen die Ergebnisse scharfe Fragen dar\u00fcber auf, was passiert, wenn gentechnisch gestaltete zellulare Maschinen beginnen, ihre eigenen Gehirne zu verdrahten.<\/p>\n\n\n\n\n\n\n
Standard-Biobots werden aus undifferenziertem Hautgewebe gewonnen, das aus Embryonen der Froschart Xenopus entnommen wird. Diese winzigen zellul\u00e4ren Aggregate k\u00f6nnen kriechen und in einigen Konfigurationen sogar dabei helfen, Wunden in kultivierten Neuronen zu heilen<\/a>, wie fr\u00fchere Arbeiten aus den Laboren von Michael Levin, Ph.D., gezeigt haben. Ihnen fehlt jedoch alles, was einem Nervensystem \u00e4hneln k\u00f6nnte. Die Neurobots stellen einen bewussten Schritt \u00fcber diesen Ausgangszustand hinaus dar: Die Forscher injizierten neuronale Vorl\u00e4uferzellen in die sich entwickelnden Konstrukte und beobachteten dann, was geschah.<\/p>\n Was geschah, war bemerkenswert. Die eingebrachten Zellen organisierten sich selbst zu ausgereiften Neuronen mit sichtbaren Forts\u00e4tzen und bauten damit effektiv ein primitives Nervensystem auf \u2013 ohne \u00e4u\u00dferes Ger\u00fcst oder Verdrahtungsanweisungen. Das Team best\u00e4tigte neuronale Aktivit\u00e4t mittels Calcium-Imaging, einer Technik, die Zellen bei der Aktivit\u00e4t sichtbar macht, und f\u00fchrte transkriptionelle Charakterisierungen durch, um die Gene zu katalogisieren, die diese neuen Neuronen exprimierten. Das bioRxiv-Manuskript<\/a>, das diese Ergebnisse beschreibt, schildert ein lebendes Konstrukt, das seine eigene neuronale Architektur aus rohen zellul\u00e4ren Bausteinen zusammensetzt \u2013 ein Prozess, der in Miniatur dem \u00e4hnelt, wie sich in Fr\u00f6schen normalerweise ein Nervensystem entwickelt.<\/p>\n Weil die Neuronen aus Vorl\u00e4uferzellen entstanden sind, anstatt mit mikrotechnischen Werkzeugen geformt zu werden, fordern die Konstrukte vertraute Kategorien heraus. Sie sind keine konventionellen Labortiere, zugleich aber mehr als passive Biomaterialien. Ihre Nervensysteme sind emergente Produkte von Entwicklungsprogrammen, die in einem neuen Kontext ablaufen \u2013 einem, in dem Haut- und Neuralgewebe in Konfigurationen rekombiniert werden, die in der Natur nicht vorkommen.<\/p>\n\n\n\n\n\n\n Die Anwesenheit von Neuronen f\u00fcgte nicht nur elektrische Aktivit\u00e4t hinzu. Sie gestaltete die Neurobots physisch und verhaltensm\u00e4\u00dfig um. Neurobots hatten eine gestrecktere Form als ihre nicht-neuronalen Gegenst\u00fccke und zeigten tendenziell aktivere Bewegungen, wobei sie manchmal nebeneinander liefen und wiederkehrende Bewegungsmuster zeigten. Der Unterschied in den Bewegungsmustern war statistisch signifikant, gest\u00fctzt durch einen Kruskal\u2013Wallis-Test mit einem p-Wert von 0,037, so der Advanced Science-Bericht<\/a>. Neurobots zeigten au\u00dferdem mit h\u00f6herer Wahrscheinlichkeit nicht\u2011null Bewegungen, das hei\u00dft, sie verbrachten weniger Zeit in Ruhe im Vergleich zu standardm\u00e4\u00dfigen Biobots.<\/p>\n Um zu testen, ob das neuronale Netzwerk diese Verhaltens\u00e4nderungen tats\u00e4chlich steuerte und nicht nur damit zusammenfiel, setzten die Forscher die Konstrukte Pentylenetetrazol aus, einem Wirkstoff, der bekannt daf\u00fcr ist, die neuronale Signal\u00fcbertragung zu verst\u00e4rken. Das Medikament ver\u00e4nderte die Bewegungsmuster der Neurobots<\/a> anders als die der nicht\u2011neuralen Biobots, was darauf hindeutet, dass das neu entstandene Nervensystem beeinflussen kann, wie dieses neuartige Gebilde sich bewegt. Dieses Ergebnis ist bisher der klarste Hinweis darauf, dass die selbstorganisierten Neuronen keine passiven Mitfahrer sind, sondern aktive Steuerinstanzen des Verhaltens des Konstrukts.<\/p>\n Auch in diesem fr\u00fchen Stadium ist das Repertoire an Handlungen bescheiden: Kriechen, Umorientieren, Pausieren und Wiederaufnehmen der Bewegung. Doch die Tatsache, dass sich diese Muster systematisch \u00e4ndern, wenn die neuronale Aktivit\u00e4t pharmakologisch moduliert wird, zeigt, dass die Konstrukte ein internes Kontrollsystem besitzen, das in der Lage ist, Signale zu integrieren und Bewegung \u00fcber die Zeit zu formen.<\/p>\n\n\n\n\n\n\n Die meiste Berichterstattung \u00fcber biohybride Roboter konzentriert sich auf ingenieurm\u00e4\u00dfige Steuerung: wie man lebendes Gewebe mit Elektroden verdrahtet, wie man Muskeln gezielt stimuliert, wie man eine R\u00fcckkopplungsschleife zwischen Sensor und Aktuator schlie\u00dft. Eine k\u00fcrzlich erschienene \u00dcbersichtsarbeit in npj Robotics katalogisierte die anhaltenden Herausforderungen bei der Integration lebender Gewebe<\/a> mit weicher Elektronik, darunter Aufzeichnungsqualit\u00e4t, Stimulationspr\u00e4zision und Langzeitzuverl\u00e4ssigkeit. Separat ver\u00f6ffentlichte Arbeiten in Advanced Science demonstrierten ein chipbasiertes Biohybrid, das ein Gehirn-Organoid, Motoneuron-Sph\u00e4roiden und ein Muskelb\u00fcndel integriert und elektrophysiologische Signal\u00fcbertragung sowie dadruch abgeleitete Wirkstoffantworten wie Levodopa\u2011induzierte Muskelverschiebungen nutzt, um neurodegenerative Erkrankungen zu bewerten<\/a>.<\/p>\n Die Neurobot-Experimente verfolgen einen grundlegend anderen Ansatz. Anstatt eine Steuerungsschaltung von au\u00dfen zu entwerfen, lie\u00dfen die Forscher die Biologie die Verdrahtung \u00fcbernehmen. Das Ergebnis ist ein System, dessen Verhalten aus internen neuronalen Dynamiken entsteht, statt aus vorprogrammierten Stimulationsmustern. Dieser Unterschied ist wichtig, weil ingenieurm\u00e4\u00dfige R\u00fcckkopplungsschleifen br\u00fcchig sind: Sie funktionieren innerhalb der entworfenen Parameter, versagen aber, wenn sich die Bedingungen \u00e4ndern. Ein selbstorganisiertes neuronales Netzwerk hingegen kann sich m\u00f6glicherweise an neue Umgebungen oder St\u00f6rungen anpassen, ohne dass ein explizites Redesign erforderlich ist.<\/p>\n Forschung an dissoziierten neuronalen Kulturen hat bereits gezeigt, dass isolierte Neuronen Netzwerke bilden k\u00f6nnen, die Selbstorganisation und pr\u00e4diktives Verhalten<\/a> zeigen, einschlie\u00dflich Plastizit\u00e4t und Netzwerkdynamiken, die auf neue Eingaben reagieren. Die Neurobots legen nahe, dass \u00e4hnliche Prinzipien innerhalb eines lebenden, sich bewegenden K\u00f6rpers wirken k\u00f6nnen und nicht nur in einer Schale. In diesem Sinne sind sie ein Pr\u00fcfstand daf\u00fcr, wie Nervensysteme entstehen und funktionieren, wenn sie von den anatomischen Zw\u00e4ngen eines typischen Embryos befreit sind.<\/p>\n\n\n\n\n\n\n Hier liegt auch die Spannung. Ingenieurwesen sch\u00e4tzt Vorhersehbarkeit. Ein Roboter, der genau das tut, was man ihm sagt, ist n\u00fctzlich. Ein Roboter, der sich selbst umverdrahtet und sein Verhalten \u00e4ndert, ist etwas v\u00f6llig anderes. Die Arzneimittelversuche mit den Neurobots deuten auf diese Spannung hin: Pentylenetetrazol erzeugte unterschiedliche Effekte in neuronalen und nicht\u2011neuronalen Konstrukten, doch die genaue Beziehung zwischen neuronalen Feuermustern und Bewegungsergebnissen ist nach Angaben der Forscher noch undurchsichtig. Die Konstrukte sind klein genug, um detailliert verfolgt zu werden, und doch trotzen ihre internen Dynamiken bereits einfachen Ein\u2011Ausgabe\u2011Diagrammen.<\/p>\n F\u00fcr die Robotik kann diese Unvorhersehbarkeit ein Nachteil sein. F\u00fcr Entwicklungsbiologie und Neurowissenschaft ist sie die Hauptanziehungskraft. Neurobots bieten eine kontrollierbare Plattform, um zu untersuchen, wie Zellen entscheiden, was sie werden, wie neuronale Schaltkreise sich selbst zusammenbauen und wie diese Schaltkreise sich mit Muskeln koppeln, um koordinierte Bewegung zu erzeugen. Da Ausgangsmaterialien und Randbedingungen im Labor definiert sind, erg\u00e4nzen sie traditionelle Modellorganismen und umgehen gleichzeitig einige der Komplexit\u00e4ten ganzer Embryonen.<\/p>\n Die Arbeit kreuzt sich au\u00dferdem mit dem weiteren \u00d6kosystem offener Wissenschaft. Fachzeitschriften und Plattformen wie Frontiers Partnerships<\/a>, Community\u2011Hubs wie das Frontiers\u2011Forum<\/a> und institutionelle Pressestellen wie das Frontiers\u2011Mediacenter<\/a> haben zunehmend interdisziplin\u00e4re Bem\u00fchungen hervorgehoben, die Robotik, Entwicklungsbiologie und Neurowissenschaften zusammenf\u00fchren. Wenn Neurobots vom Preprint zur Peer\u2011Review \u00fcbergehen, werden sie wahrscheinlich zu einem Schwerpunkt in diesen Diskussionen.<\/p>\n\n\n\n\n\n\n Das Entstehen selbstverdrahteter Nervensysteme in konstruierten Gebilden wirft ethische Fragen auf, die bestehende Richtlinien nur teilweise abdecken. Regelungen zur Tierforschung konzentrieren sich meist auf Art, Entwicklungsstadium und erwartete Leidensf\u00e4higkeit. Neurobots passen nicht sauber in diese Kategorien. Sie stammen von Froschzellen, sind aber keine Fr\u00f6sche; sie besitzen Neuronen, jedoch keine erkennbaren Sinnesorgane oder Gehirne.<\/p>\n Ein Anliegen ist, ob solche Systeme, wenn sie komplexer werden, Schwellen von Sentienz oder Leidensf\u00e4higkeit \u00fcberschreiten k\u00f6nnten. Ein weiteres ist, wie man sie rechtlich und institutionell klassifiziert: als Tiere, Gewebe, Ger\u00e4te oder etwas v\u00f6llig Neues. Die Antworten werden Aufsichtsbeh\u00f6rden, Zustimmungsverfahren f\u00fcr die Beschaffung von Zellen sowie Regeln f\u00fcr Langzeitpflege oder Vernichtung dieser Konstrukte pr\u00e4gen.<\/p>\nVer\u00e4nderte K\u00f6rper und neues Verhalten<\/h2>\n\n\n
Warum Selbstorganisation die Rechnung \u00e4ndert<\/h2>\n\n\n
Wenn Ingenieurskunst auf Unvorhersehbarkeit trifft<\/h2>\n\n\n
Ethische und regulatorische Bruchlinien<\/h2>\n\n\n