带神经系统的活体机器neurobots问世

美国塔夫茨大学与哈佛大学威斯研究所的科研团队在早前“青蛙细胞活体机器人”（xenobots）的基础上，再次推进生物工程边界，打造出具有自身神经系统的全新微型活体机器——“神经机器人”（neurobots），展示了自组织形成的神经网络以及更复杂的行为模式，为理解生物体如何构建功能结构提供了新的窗口。

早在 2020 年，塔夫茨大学研究人员曾利用非洲爪蟾（Xenopus laevis）胚胎细胞，构建出微米级的“类机器人”生物结构——青蛙细胞机器人，它们能够在水中运动、自我修复，甚至聚拢散落细胞，生成新的个体。这些完全由活细胞自组装而成的结构无需支架，也不涉及基因改造，寿命约为 9 至 10 天，依靠原始胚胎细胞中储存的营养维持生存。在此基础上，研究团队一直在探索：如果给这些活体结构“装上”神经系统，会发生什么？

最新研究中，科学家在构建中的生物机器人内部，植入一团会发育成神经元的神经前体细胞，形成所谓“神经机器人”。这些细胞在球形组织尚处于发育早期的短暂时间窗中被嵌入，随后逐渐成熟，长出树突和轴突，并向内部及表面延伸，构建起简单而完整的神经网络。相关成果近日发表于《Advanced Science》期刊。

该项目由塔夫茨大学 Vannevar Bush 生物学教授迈克尔·莱文（Michael Levin）与威斯研究所的哈莱·福托瓦特（Haleh Fotowat）联合领导，属于他们更大范围研究计划的一部分，旨在弄清一群细胞在陌生环境下如何自组织成复杂结构。研究者希望，这类“从零开始”的系统能揭示神经系统形成与塑形的基本规则，从而为合成生物学和再生医学提供理论基础，未来有望用于设计新的生物结构或修复受损组织。

在具体实验中，团队首先从非洲爪蟾早期胚胎中分离出前体皮肤细胞，这些细胞在培养皿中会自然聚集成小型球状结构，表面覆盖着密集的纤毛（多纤毛细胞）。纤毛的协调摆动使得原本的“青蛙细胞机器人”得以在水中游动。在此基础上加入神经前体细胞后，形成的“神经机器人”在形态上与以往相比发生明显改变，整体更大，也更为修长。

显微镜观察显示，这些嵌入的神经元不仅发育出了典型的树突和轴突结构，还表达了突触相关的蛋白标记，表明细胞之间建立了联结并具备信号传递能力。通过钙成像技术，研究人员进一步证实，神经机器人内部的神经元能够进行电活动，构成简化的功能性神经网络。

神经系统的加入也显著改变了这些活体机器的行为模式。与不含神经元的生物机器人相比，神经机器人整体活动更为频繁，运动轨迹更复杂，呈现出重复的运动模式，而非简单的直线或随机游动。为了验证神经活动在行为中的作用，团队使用了已知会影响大脑活动并诱发癫痫样反应的药物戊四氮（pentylenetetrazole），观察其对这些活体结构运动的影响。结果显示，药物对神经机器人的运动模式产生的改变，与其对不含神经元的生物机器的作用截然不同，说明新形成的神经网络正在主动塑造这些“机器”的行为。

福托瓦特表示，这一工作不仅是为了给生物机器人添加“控制单元”，更重要的是借此反向推演神经系统形成的内在原则。她指出，相较于在斑马鱼等成熟动物体内追踪神经元如何参与行为产生，神经机器人提供了一个“从无到有”构建神经系统的平台，从而可以探问：“把神经元放进一个完全前所未有的情境，它们会依据哪些先天规则组织成网络？”

莱文则强调，神经机器人为研究“在一个拥有身体的系统中，神经网络如何影响动作和行为”提供了独特机会。在传统实验模型中，身体与神经系统往往经历了漫长的共同进化史，而神经机器人则是一个没有进化背景的全新组合，有助于剥离习得与演化因素，直观观察细胞与网络如何在物理结构中协同工作。

除了形态和行为变化外，研究人员还在神经机器人中发现了颇为意外的基因表达模式。在与主要脑受体相关的基因之外，团队还检测到许多涉及视觉处理的基因被激活，其中包括通常在眼部光敏感细胞中表达的基因。这意味着，如果进一步延长其寿命、优化培养条件，神经机器人在未来有可能发展出对光的响应能力。

莱文提出了一个颇具前瞻性的假设：这些神经机器人可能正在“预先上调”某些对未来潜在功能有用的基因模块，为后续功能演化做准备。“如果它们能活得更久，会不会进一步发展出真正的光感受器？”他表示，这是团队目前正在积极探索的问题。

研究人员指出，要想用生物材料“构建全新事物”，首先必须理解细胞自身如何解决问题、如何在陌生环境中做出“决策”。神经机器人正是这样一类实验平台：没有既定的发育程序、没有自然选择留下的结构模板，却仍旧显示出自组织、形成网络、生成行为的能力。这不仅挑战了我们对“身体”和“神经系统”边界的传统理解，也为未来可编程的活体系统——例如可自我修复的微型医疗器械、智能组织工程构件——打开了想象空间。