光遺伝学は、ワームの動きの制御をつかむことを可能にしました

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光遺伝学は、ワームの動きの制御をつかむことを可能にしました
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Anonim
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カナダの科学者は、線虫Caenorhabditiselegansを制御されたソフトロボットに変換する方法を開発しました。彼らはワームを麻痺させてその筋肉を制御する能力を奪い、その細胞をオプトジェネティックに改変したので、研究者たちはレーザーを照射することによってワームの筋肉群を独立して活性化することができました。デモンストレーションとして、彼らはレーザー制御されたワームがどのように迷路を這い回り、特定のポイントに到達したかを示しました。 ScienceRoboticsに掲載された記事。

ロボットの小型化は複雑なプロセスであり、いくつかの困難のためにまだゆっくりと進んでいます。第一に、昆虫のサイズ以下のロボットに関しては、開発者はそのような小さなアクチュエーター、バッテリー、その他の要素をどこにも持って行けないことがよくあります。第二に、ロボットがスケーリングされると、ロボットに作用する力のスケーリングが異なり、開発時にこれを考慮に入れる必要があります。

エンジニアはこれらの問題を2つの方法で解決します。マイクロロボットとそのコンポーネントの作成に直接取り組んでいる人もいれば、進化の結果として環境に適応した小さな生物を基本として取り、電子コンポーネントを装備することを提案する人もいます。サイボーグに変身する最も人気のあるモデル生物はゴキブリです。ほとんどの場合、ゴキブリはひげや尾毛を電気器官で刺激することによって間接的に制御されます。これにより、動物は障害物にぶつかったと思い、適切な方向に向きを変えます。管理が容易なため、この分野の研究はほとんどすべての研究グループが利用でき、管理用の既製のデバイスも販売されています。しかし同時に、このアプローチでは、制御の精度が低く、昆虫はその時間のかなりの部分を最適でない軌道に費やします。より正確な制御には、体のさまざまな筋肉に対応する複数の電極と、動物自身の運動インパルスの抑制が必要です。

Xinyu Liuが率いるトロント大学の科学者は、Caenorhabditis elegans種の線虫の制御を完全に掌握し、特定の筋肉領域を点活性化し、それによってそのようなワームの動きをリアルタイムで制御することを学びました。このタイプの一般的なワームでは、運動ニューロンがアセチルコリンを放出すると、体の外側の筋細胞が活性化されます。科学者たちは、筋細胞に光活性化イオンチャネルを持つ遺伝子組み換えワームを使用しています。そして、C。elegans自身の制御をブロックするために、研究者たちはニューロンを過分極させるイベルメクチンを注射し、体を効果的に麻痺させる筋細胞にインパルスを伝達するのを防ぎました。したがって、研究者たちは光でワームの動きを制御することができました。

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光刺激スキーム

正確な制御のために、科学者は最初に線虫の動きを研究し、レーザーを使用して線虫を再現するために、線虫のカルシウムイオンの状態に基づいて筋活動を追跡しました。彼らは、動きが互いに位相がずれている2つの正弦曲線によって記述されることを発見しました。1つは筋細胞の活動を表し、もう1つは体の屈曲を表します。

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筋肉活動と体の曲率のグラフ

ワームとターンの直線運動のスキームを確立した後、科学者たちは制御のためのテストベンチを組み立てました。カメラ、レーザー、その前に液晶パネルを備えた顕微鏡で構成されており、全身ではなく特定の筋肉領域のみを刺激するために、単一のレーザービームから別々の照射領域を形成することができます。システムは、3つの領域(体の片側に2つ、反対側に1つ)を刺激することにより、ワームを曲げて前方に移動させます。彼らはまた、適切なレーザーパルスを計算し、それを特定の軌道に保つために、線虫の現在の形状を追跡するアルゴリズムを作成しました。

科学者たちは、体がどのように制御されているかについていくつかの例を示しています。それらのいくつかでは、彼はまっすぐに這うか向きを変え、デモの1つでは、ワームが迷路を這い回り、壁や枝を覆いました。

この作品では、制御された生物の動きはテストベンチによってのみ制限されますが、以前の他の科学者は、小さな光遺伝学的システムがどのようにトンボの自由飛行を制御できるかを示しました。

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