Als een kind, natuurkundige Seth Fraden hield van de film "Fantastic Voyage, " over een microscopisch kleine onderzeeër die door een menselijke bloedbaan reist. Bijna 10 jaar geleden, Fraden begon een zoektocht om een ​​robotpaling te maken die hij op een soortgelijke reis kon sturen, hoewel het niet voor amusement zou zijn. De paling zou ontworpen zijn om een ​​medicijn af te geven aan cellen of genen. En om de flexibiliteit van het echte zeedier vast te leggen, het zou de vorm aannemen van een gel die door water zou kunnen glijden.

Deze lente, Fraden kondigde aan dat hij de eerste paar stappen had gezet om zijn visie te realiseren. In het journaal Lab op een chip , hij meldde dat hij en zijn team een ​​model hadden gemaakt met chemicaliën en microscopisch kleine containers van een netwerk van neuronen. Het is dit netwerk dat primair verantwoordelijk is voor de kenmerkende zigzagzwembeweging van de paling.

Fraden is van plan om zijn neurale netwerk in een gel in te bedden. Als alles volgens plan verloopt, de gel zal eigenlijk op dezelfde manier bewegen als een paling tijdens het zwemmen.

Waarom een ​​paling?

De robotpaling maakt deel uit van een grotere inspanning van Fraden om machines te bouwen die zijn gemaakt van chemicaliën en andere synthetische materialen die zich gedragen als levende organismen. "Levenloze materie animeren" is hoe hij het omschrijft. Hij brengt geen anorganische materie tot leven. Hij bouwt apparaten die veel lijken op aspecten en kenmerken van levende wezens - kleding die zichzelf herstelt met hetzelfde proces dat onze cellen gebruiken om een ​​wond te sluiten, bijvoorbeeld, of nanobots die als vissen door waterleidingen zwemmen, dragende materialen om pijpschade te herstellen. Fradens kunstmatige neurale netwerk is nog maar het begin.

Vergeleken met de meeste zeedieren, de paling heeft een relatief eenvoudig systeem om te zwemmen. Zijn ruggengraat loopt over de lengte van zijn lichaam en is aan weerszijden omgeven door een kolom van neuronen. Wanneer neuronen achtereenvolgens een van de kolommen afvuren, ze veroorzaken een golf van spiercontractie, het maken van de wervelkolom. Wanneer de neuronen in de andere kolom vuren, de wervelkolom buigt in de tegenovergestelde richting. Het resultaat is een soepele heen-en-weer beweging van de wervelkolom terwijl de paling zwemt.

Fraden volgt een proces van drie stappen om zijn medicijnpaling te bouwen.

Stap 1:Maak een neuron.

Neuronen oscilleren tussen twee toestanden:prikkelend en remmend. In de exciterende modus, ze zorgen ervoor dat andere neuronen vuren. Als ze remmend zijn, ze zorgen ervoor dat andere neuronen niet kunnen vuren.

Zoals het gebeurt, er is een klasse van chemische reacties die oscilleert tussen twee toestanden, vergelijkbaar met die van een neuron. Voor het eerst waargenomen in de jaren vijftig en zestig door de Russische wetenschappers Boris Belousov en Anatol Zhabotinsky, de BZ-reactie, zoals het heet, gaat heen en weer tussen staten van activiteit en inactiviteit.

Irv Epstein, de Henry F. Fischbach hoogleraar scheikunde, is een van 's werelds meest vooraanstaande experts op het gebied van de BZ-reactie. Hij werkte zij aan zij met Zhabotinsky, die naar Brandeis kwam als adjunct-professor scheikunde na de ineenstorting van de Sovjet-Unie. Het was Epstein, samen met een aantal andere onderzoekers, die erop wees dat het actieve/inactieve patroon van de BZ-reactie analoog was aan het vertonende/remmende gedrag van zenuwcellen. Dit bracht Fraden ertoe om BZ-reacties te gebruiken om zijn kunstmatige neuronen te creëren.

Nu hij zijn "neuronen, " Fraden en zijn lab ontwierpen een container om ze in te bewaren. Het zag eruit als een ijsblokjesbakje met twee kolommen, elk verdeeld in afzonderlijke ijsblokjescompartimenten.

Stap 2:Bouw een neuraal netwerk.

Zoals Fraden het zich voorstelde, elk ijsblokjescompartiment was een individueel neuron. Dit maakte de kolommen vergelijkbaar met de lijnen van neuronen aan weerszijden van de ruggengraat van de paling.

Fraden vulde elk van de ijsblokjeskamers met een vloeibare oplossing die de chemicaliën bevat die nodig zijn voor de BZ-reactie. De eerste BZ-reactie vond plaats in de container bovenaan een van de kolommen. Toen het actief werd (opwindend), er kwam een ​​molecuul vrij dat de ijsblokjeshouder direct eronder binnenging, het activeren van de

Volgende, de BZ-reactie werd inactief (remmend). Het liet toen een molecuul vrij dat naar de ijsblokjescontainer er recht tegenover reisde, effectief onderdrukken, of in de wacht zetten, de BZ-reactie in die container.

Er ontstond een patroon. Een voor een, de BZ-reacties in een kolom werden geactiveerd, terwijl de BZ-reacties in de andere kolom in de pauzestand werden gezet. Toen alle BZ-reacties in de eerste kolom waren voltooid, de reacties in de tweede kolom kwamen uit de pauze en begonnen.

De reacties van de tweede kolom verliepen ook de een na de ander, naar beneden. En ze onderdrukten nu ook de reacties in de eerste kolom. Dus, de eerste kolom startte pas weer op nadat de reacties van de tweede kolom waren afgelopen.

Opmerkelijk, de BZ-reacties waren met elkaar verbonden en communiceerden met elkaar in dezelfde volgorde als de spinale neuronen van de paling, een voor een afgaan, de ene kolom na de andere. Fraden breide de BZ-reacties aan elkaar zodat ze, in werkelijkheid, samen als één geheel opgetreden.

Waarom reisden de activerende moleculen alleen verticaal en de deactiveren alleen horizontaal? Dit kwam door het ontwerp van de scheidingswanden tussen de containers. Verdelers in de kolommen lieten alleen activerende moleculen door. Scheidingswanden tussen de kolommen toegestaan ​​alleen deactiveren.

De derde stap:het neurale netwerk gaat in een gel.

Fraden heeft een chemisch reagerende vormveranderende gel gekozen waarin hij zijn ijsblokjesbakje zal implanteren. "We hopen dat het materiaal zich op dezelfde manier zal gedragen als het lichaam van een aal als reactie op het afvuren van zijn neuronen, "zegt hij. "Het zal wegglijden."