Com base nos primeiros "robôs vivos de células de sapo" (xenobots), a equipe de pesquisa científica do Instituto Wyss da Universidade Tufts e da Universidade de Harvard mais uma vez ultrapassou os limites da bioengenharia e criou uma nova máquina viva em miniatura com seu próprio sistema nervoso - "neurobots". Demonstrou redes neurais auto-organizadas e padrões comportamentais mais complexos, fornecendo uma nova janela para a compreensão de como os organismos constroem estruturas funcionais.
Já em 2020, pesquisadores da Universidade Tufts usaram células embrionárias de Xenopus laevis para construir estruturas biológicas "semelhantes a robôs" em escala micrométrica - robôs de células de sapo. Eles podem se mover na água, reparar-se e até reunir células dispersas para gerar novos indivíduos. As estruturas, que se automontam inteiramente a partir de células vivas sem estrutura ou modificação genética, vivem cerca de 9 a 10 dias e dependem de nutrientes armazenados nas células embrionárias originais para sobreviver. Nesta base, a equipa de investigação tem explorado: O que aconteceria se estas estruturas vivas fossem “equipadas” com sistemas nervosos?
Na pesquisa mais recente, os cientistas implantaram um grupo de células precursoras neurais que se transformarão em neurônios em um robô biológico em construção para formar o chamado “neurobot”. Essas células são incorporadas na curta janela de tempo quando o tecido esférico ainda está nos estágios iniciais de desenvolvimento e, em seguida, amadurecem gradualmente, crescem dendritos e axônios e se estendem para o interior e a superfície para construir uma rede neural simples e completa. Resultados relevantes foram publicados recentemente na revista Advanced Science.
O projeto, co-liderado por Michael Levin, professor de biologia Vannevar Bush na Universidade Tufts, e Haleh Fotowat do Instituto Wyss, faz parte de um esforço de pesquisa maior para compreender como grupos de células se auto-organizam em estruturas complexas em ambientes desconhecidos. Os investigadores esperam que este tipo de sistema "do zero" possa revelar as regras básicas da formação e modelagem do sistema nervoso, fornecendo assim uma base teórica para a biologia sintética e a medicina regenerativa, que pode ser usada para projetar novas estruturas biológicas ou reparar tecidos danificados no futuro.
Em experimentos específicos, a equipe primeiro isolou células precursoras da pele dos primeiros embriões de Xenopus. Estas células agregam-se naturalmente em pequenas estruturas esféricas numa placa de cultura, e as suas superfícies são cobertas por cílios densos (células multiciliadas). O balanço coordenado dos cílios permite que o "robô de célula de sapo" original nade na água. Depois de adicionar células precursoras neurais a esta base, o “neurobot” formado mudou significativamente sua forma em comparação com o passado, tornando-se maior e mais delgado em geral.
A observação microscópica mostrou que esses neurônios incorporados não apenas desenvolveram estruturas dendríticas e axonais típicas, mas também expressaram marcadores proteicos relacionados à sinapse, indicando que as conexões entre as células foram estabelecidas e capazes de transmissão de sinal. Através da tecnologia de imagem de cálcio, os pesquisadores confirmaram ainda que os neurônios dentro do neurorobô são capazes de atividade elétrica e formam uma rede neural funcional simplificada.
A adição de sistemas nervosos também altera significativamente o comportamento destas máquinas vivas. Em comparação com robôs biológicos sem neurônios, os neurorobôs têm atividades gerais mais frequentes e trajetórias de movimento mais complexas, mostrando padrões de movimento repetitivos em vez de simples linhas retas ou passeios aleatórios. Para testar o papel da atividade neural no comportamento, a equipe usou o pentilenotetrazol, uma droga conhecida por afetar a atividade cerebral e induzir respostas epileptiformes, e observou seu efeito no movimento dessas estruturas vivas. Os resultados mostram que a droga altera os padrões de movimento dos neurorobôs de uma maneira completamente diferente do que acontece nas máquinas biológicas que não contêm neurônios, indicando que as redes neurais recém-formadas estão moldando ativamente o comportamento dessas “máquinas”.
Fotovat disse que este trabalho não visa apenas adicionar uma “unidade de controle” ao robô biológico, mas, mais importante, reverter os princípios internos da formação do sistema nervoso. Ela ressaltou que, em comparação com o rastreamento de como os neurônios participam da produção de comportamentos em animais maduros, como o peixe-zebra, os neurorobôs fornecem uma plataforma para construir sistemas nervosos “do zero”, para que possamos perguntar: “Coloque os neurônios em uma situação completamente sem precedentes, de acordo com quais regras inatas eles se organizarão em redes?”
Levine enfatizou que a neurorobótica oferece uma oportunidade única para estudar “como as redes neurais influenciam o movimento e o comportamento em um sistema com um corpo”. Nos modelos experimentais tradicionais, o corpo e o sistema nervoso experimentaram muitas vezes uma longa história de co-evolução, enquanto os neurorobôs são uma combinação totalmente nova sem antecedentes evolutivos, que ajuda a eliminar a aprendizagem e os factores evolutivos e a observar intuitivamente como as células e as redes funcionam em conjunto nas estruturas físicas.
Além das mudanças morfológicas e comportamentais, os pesquisadores também descobriram padrões inesperados de expressão genética nos neurobots. Além dos genes relacionados aos principais receptores cerebrais, a equipe também detectou a ativação de uma série de genes envolvidos no processamento visual, incluindo genes normalmente expressos em células sensíveis à luz no olho. Isto significa que se a sua vida útil for prolongada e as condições de cultura forem otimizadas, os neurorobôs poderão desenvolver a capacidade de responder à luz no futuro.
Levin propôs uma hipótese prospectiva: esses neurorobôs podem estar “pré-regulando” certos módulos genéticos úteis para possíveis funções futuras em preparação para a evolução funcional subsequente. “Se viverem mais, desenvolverão ainda mais fotorreceptores verdadeiros?” Ele disse que esta é uma questão que a equipe está explorando ativamente.
Os pesquisadores apontaram que para “construir coisas completamente novas” com materiais biológicos, é preciso primeiro entender como as próprias células resolvem problemas e tomam “decisões” em ambientes desconhecidos. Os neurorobôs são exatamente uma dessas plataformas experimentais: não têm programas de desenvolvimento estabelecidos nem modelos estruturais deixados pela seleção natural, mas ainda mostram a capacidade de se auto-organizar, formar redes e gerar comportamentos. Isto não só desafia a nossa compreensão tradicional da fronteira entre "corpo" e "sistema nervoso", mas também abre a imaginação para futuros sistemas vivos programáveis, tais como dispositivos micromédicos auto-reparáveis e componentes inteligentes de engenharia de tecidos.