Глаз нет, а гены зрения работают. Ученые создали живых роботов, которые сами вырастили себе нервную систему

Учёные из Университета Тафтса создали «нейроботов» — крошечные живые организмы из клеток лягушки, которые самостоятельно отрастили себе нервную систему, научились двигаться сложнее обычных биоботов и даже обзавелись генами, отвечающими за зрение, хотя глаз у них нет.

Биоботы — шарики из эмбриональных клеток кожи африканской шпорцевой лягушки Xenopus laevis — известны уже несколько лет. Покрытые ресничками клетки бьют в унисон и толкают крохотный организм сквозь воду без всяких моторов и электроники. Но до сих пор у биоботов не было ничего похожего на нервную систему: просто комок кожных клеток, дрейфующий по чашке Петри.

Команда под руководством Майкла Левина решила выяснить, что произойдёт, если снабдить биобота нейронами. Исследователи взяли клетки-предшественники нервной ткани, выдержали их отдельно три часа — за это время клетки переключились на нейрональную судьбу — и подсадили получившиеся комочки внутрь свежевырезанного кусочка эктодермы, пока тот ещё не успел срастись в сферу. Через пару дней композитный организм залечивался, обрастал ресничками и начинал плавать.

Конфокальная микроскопия показала, что подсаженные клетки-предшественники превратились в полноценные нейроны с аксонами, дендритами и синаптическими контактами. Нервные отростки прорастали не только вглубь нейробота, но и тянулись к поверхности — к тем самым ресничным клеткам, которые отвечают за движение. Кальциевая визуализация подтвердила: нейроны активны, генерируют спонтанные сигналы, а в некоторых случаях соседние и даже удалённые группы клеток работают синхронно.

Форма нейроботов заметно отличалась от обычных биоботов. Нейроботы вырастали крупнее и приобретали вытянутую форму, причём степень удлинения коррелировала с количеством нервных отростков внутри. Контрольные «шам-нейроботы», которым подсаживали клетки без нейрональной дифференцировки, оставались такими же округлыми и компактными, как обычные биоботы — значит, за изменение формы отвечали именно нейроны.

Самые яркие различия проявились в поведении. Обычные биоботы плавают по простым круговым траекториям с постоянным радиусом. Нейроботы же выписывали сложные спирографоподобные узоры, меняли радиус кружения, реже замирали на месте. Для количественной оценки исследователи ввели «индекс сложности» — число пиков в спектральной плотности мощности траектории. У нейроботов индекс оказался статистически значимо выше.

Фармакологический эксперимент усилил картину. Пентилентетразол — вещество, блокирующее рецепторы ГАМК и вызывающее судороги у животных — по-разному подействовал на два типа ботов. Почти все биоботы упростили траектории: вероятно, препарат подействовал на рецепторы ГАМК в клетках, секретирующих слизь, и нарушил слаженное биение ресничек. Нейроботы же в большинстве случаев, наоборот, усложнили движение. Разница между двумя группами оказалась статистически достоверной, а в контрольном опыте без препарата различий не возникало. Присутствие нейронов, судя по всему, создавало дополнительный канал регуляции, действующий вразрез со стандартным тормозным эффектом.

Транскриптомный анализ принёс неожиданные находки. У нейроботов обнаружилось масштабное повышение экспрессии генов, связанных с развитием нервной системы, формированием синапсов, транссинаптической сигнализацией — и с визуальным восприятием. Среди активированных генов оказались опсины колбочек, родопсин, меланопсин и целый набор генов, обычно работающих только в сетчатке глаза лягушки. Нейроботы не имели ни глаз, ни каких-либо оптических структур, но генетическая программа зрительного восприятия самопроизвольно включилась в совершенно новом контексте.

Ещё одна интересная деталь: более 54 % активированных генов у нейроботов относились к двум древнейшим эволюционным категориям — генам, общим для всех живых организмов, и генам эукариот. Среди подавленных генов древних последовательностей почти не встречалось. Получается, что нервная ткань в новом теле сдвинула транскриптом в сторону эволюционного прошлого — словно организм обратился к самым базовым, проверенным временем молекулярным программам.

Нейроботы демонстрировали и значительно большую вариативность экспрессии генов по сравнению с биоботами и шам-нейроботами. Частично разброс объясняется ручным способом конструирования, но избыточная вариативность именно у нейроботов указывает на роль нейронов: нервная система, похоже, расширяет пространство возможных состояний генной экспрессии, заставляя клетки «исследовать» новые комбинации.

Главное ограничение работы — невоспроизводимость архитектуры нервной сети: каждый нейробот уникален, и установить чёткую причинно-следственную связь между конкретным паттерном нейронной активности и поведением пока не удалось. Авторы планируют разработать автоматизированные методы имплантации, создавать нейроботов с контролируемым числом клеток и проверить, способны ли эти существа реагировать на свет — если да, зрительное поведение станет подлинно новым эмерджентным свойством, не существовавшим ни у одного природного организма в подобной конфигурации.