Come un bambino, il fisico Seth Fraden adorava il film "Fantastic Voyage, " su un microscopico sottomarino che viaggia attraverso un flusso sanguigno umano. Quasi 10 anni fa, Fraden ha iniziato una ricerca per creare un'anguilla robotica che potesse inviare in un viaggio simile, anche se non sarebbe per divertimento. L'anguilla sarebbe progettata per fornire un farmaco a cellule o geni. E per catturare la flessibilità della vera creatura marina, prenderebbe la forma di un gel che potrebbe scivolare attraverso l'acqua.

Questa primavera, Fraden annunciò di aver compiuto i primi due passi verso la realizzazione della sua visione. Nel diario Laboratorio su un chip , ha riferito che lui e il suo team avevano creato un modello utilizzando sostanze chimiche e contenitori microscopici di una rete di neuroni. È questa rete che è principalmente responsabile del movimento di nuoto a zigzag tipico dell'anguilla.

Fraden ha intenzione di incorporare la sua rete neurale in un gel. Se tutto va come previsto, il gel si muoverà effettivamente allo stesso modo di un'anguilla durante il nuoto.

Perché un'anguilla?

L'anguilla robotica fa parte di uno sforzo più ampio di Fraden per costruire macchine fatte di sostanze chimiche e altri materiali sintetici che si comportano come organismi viventi. "Animare la materia inanimata" è come la descrive. Non sta portando in vita materia inorganica. Sta costruendo dispositivi che si comportano in modo molto simile agli aspetti e alle caratteristiche delle creature viventi:vestiti che si riparano usando lo stesso processo che le nostre cellule usano per chiudere una ferita, Per esempio, o nanobot che nuotano come pesci nelle tubature dell'acqua, trasportare materiali per riparare i danni ai tubi. La rete neurale artificiale di Fraden è solo l'inizio.

Rispetto alla maggior parte delle creature marine, l'anguilla ha un sistema relativamente semplice per nuotare. La sua spina dorsale corre per tutta la lunghezza del suo corpo ed è circondata su entrambi i lati da una colonna di neuroni. Quando i neuroni si attivano in sequenza lungo una delle colonne, provocano un'ondata di contrazione muscolare, facendo la curva della colonna vertebrale. Quando i neuroni nell'altra colonna si attivano, la colonna vertebrale si curva nella direzione opposta. Il risultato è un movimento fluido avanti e indietro della colonna vertebrale mentre l'anguilla nuota.

Fraden sta seguendo un processo in tre fasi per costruire la sua anguilla per la consegna della droga.

Passaggio 1:creare un neurone.

I neuroni oscillano tra due stati:eccitatorio e inibitorio. Nella modalità eccitatoria, provocano l'attivazione di altri neuroni. Quando sono inibitori, impediscono ad altri neuroni di attivarsi.

Come succede, esiste una classe di reazioni chimiche che oscilla tra due stati, paragonabili a quelli di un neurone. Osservato per la prima volta negli anni '50 e '60 dagli scienziati russi Boris Belousov e Anatol Zhabotinsky, la reazione BZ, come si chiama, va avanti e indietro tra stati di attività e inattività.

Irv Epstein, il Professore di Chimica Henry F. Fischbach, è uno dei massimi esperti mondiali nella reazione BZ. Ha lavorato fianco a fianco con Zhabotinsky, che venne a Brandeis come professore a contratto di chimica dopo il crollo dell'Unione Sovietica. Era Epstein, insieme a molti altri ricercatori, che ha sottolineato che il pattern attivo/inattivo della reazione BZ era analogo al comportamento espositivo/inibitore delle cellule nervose. Ciò ha portato Fraden a utilizzare le reazioni BZ per creare i suoi neuroni artificiali.

Ora che aveva trovato i suoi "neuroni, " Fraden e il suo laboratorio hanno progettato un contenitore per contenerli. Sembrava un vassoio per cubetti di ghiaccio con due colonne, ciascuno diviso in singoli scomparti per cubetti di ghiaccio.

Passaggio 2:costruisci una rete neurale.

Come lo immaginava Fraden, ogni compartimento dei cubetti di ghiaccio era un singolo neurone. Ciò ha reso le colonne paragonabili alle linee di neuroni su entrambi i lati della spina dorsale dell'anguilla.

Fraden riempì ciascuna delle camere dei cubetti di ghiaccio con una soluzione liquida contenente le sostanze chimiche necessarie per la reazione BZ. La prima reazione BZ è avvenuta nel contenitore in cima a una delle colonne. Quando è diventato attivo (eccitatorio), ha rilasciato una molecola che è entrata nel contenitore dei cubetti di ghiaccio direttamente sotto di essa, attivando il

Prossimo, la reazione BZ è diventata inattiva (inibitrice). Ha quindi rilasciato una molecola che ha viaggiato verso il contenitore dei cubetti di ghiaccio direttamente di fronte ad esso, sopprimere efficacemente, o mettendo in attesa, la reazione BZ in quel contenitore.

È emerso un modello. Uno per uno, sono state attivate le reazioni BZ in una colonna, mentre le reazioni BZ nell'altra colonna sono state messe in pausa. Quando tutte le reazioni BZ nella prima colonna sono state completate, le reazioni nella seconda colonna sono uscite dalla pausa e sono iniziate.

Anche le reazioni della seconda colonna si susseguirono una dopo l'altra, verso il basso. E ora hanno anche soppresso le reazioni nella prima colonna. Così, la prima colonna è ripartita solo dopo che le reazioni della seconda colonna sono terminate.

Sorprendentemente, le reazioni BZ erano interconnesse e comunicate tra loro nello stesso ordine dei neuroni spinali dell'anguilla, andando via uno alla volta, una colonna dopo l'altra. Fraden ha unito le reazioni BZ in modo che, in effetti, hanno agito insieme come un'unica entità.

Perché le molecole attivanti viaggiano solo verticalmente e quelle disattivanti solo orizzontalmente? Ciò era dovuto al design dei divisori tra i contenitori. I divisori nelle colonne consentivano il passaggio solo delle molecole attivanti. I divisori tra le colonne consentivano solo la disattivazione.

Il terzo passo:la rete neurale entra in un gel.

Fraden ha selezionato un gel che cambia forma reattivo alle sostanze chimiche in cui impianterà il suo apparato per la vaschetta del ghiaccio. "Speriamo che il materiale si comporti allo stesso modo del corpo di un'anguilla in risposta ai lanci dei suoi neuroni, "dice. "Scivolerà via."