Les robots biologiques miniatures font de plus grands progrès que jamais, grâce à la moelle épinière qui dirige leurs pas.



Des chercheurs de l’Université de l’Illinois à Urbana-Champaign ont mis au point les minuscules « robots volants », propulsés par les muscles du rat et les tissus de la moelle épinière, sur un squelette d’hydrogel doux imprimé en 3D. Alors que les générations précédentes de robots biologiques, ou bio-robots, pouvaient avancer par une simple contraction musculaire, l’intégration de la moelle épinière leur donne un rythme de marche plus naturel, a déclaré la directrice de l’étude, Martha Gillette, professeur de biologie cellulaire et du développement.

« Ce sont les débuts d’une direction vers des dispositifs biologiques interactifs qui pourraient avoir des applications pour la neuro-informatique et la médecine réparatrice », a déclaré Gillette.



Les chercheurs ont publié leurs résultats dans la revue APL Bioengineering.

Pour fabriquer les spinobots, les chercheurs ont d’abord imprimé le minuscule squelette: deux montants pour les jambes et une « épine dorsale » flexible, de seulement quelques millimètres de diamètre. Ensuite, ils l’ont ensemencé de cellules musculaires, qui se sont développées en tissu musculaire. Enfin, ils ont intégré un segment de la moelle épinière lombaire d’un rat.

« Nous avons spécifiquement sélectionné la moelle épinière lombaire parce que des travaux antérieurs ont démontré qu’elle abrite les circuits qui contrôlent l’alternance gauche-droite pour les membres inférieurs pendant la marche », a déclaré Collin Kaufman, étudiant diplômé, premier auteur de l’article. « Du point de vue de l’ingénierie, les neurones sont nécessaires pour conduire des mouvements musculaires coordonnés de plus en plus complexes. L’obstacle le plus difficile à l’innervation était que personne n’avait jamais cultivé une moelle épinière de rongeur intacte auparavant. »

Les chercheurs ont dû concevoir une méthode non seulement pour extraire la moelle épinière intacte, puis la cultiver, mais aussi pour l’intégrer dans le bio-bot et cultiver ensemble les muscles et les tissus nerveux – et le faire de manière à former les neurones jonctions avec le muscle.

Les chercheurs ont vu des contractions musculaires spontanées dans les spinobots, signalant que les jonctions neuromusculaires souhaitées s’étaient formées et que les deux types de cellules communiquaient. Pour vérifier que la moelle épinière fonctionnait comme il se doit pour favoriser la marche, les chercheurs ont ajouté du glutamate, un neurotransmetteur qui incite les nerfs à signaler aux muscles de se contracter.

Le glutamate a provoqué la contraction du muscle et le mouvement des jambes selon un rythme de marche naturel. Lorsque le glutamate a été rincé, les spinobots ont cessé de marcher.

Ensuite, les chercheurs prévoient d’affiner davantage le mouvement des spinobots, rendant leurs allures plus naturelles. Les chercheurs espèrent que cette intégration à petite échelle de la moelle épinière est une première étape vers la création de modèles in vitro du système nerveux périphérique, ce qui est difficile à étudier chez des patients vivants ou des modèles animaux.

« Le développement d’un système nerveux périphérique in vitro – moelle épinière, excroissances et muscles innervés – pourrait permettre aux chercheurs d’étudier les maladies neurodégénératives telles que la SLA en temps réel avec une plus grande facilité d’accès à tous les composants touchés », a déclaré Kaufman. « Il existe également une variété de façons d’utiliser cette technologie comme outil de formation chirurgicale, depuis le fait d’agir comme un mannequin de pratique en tissu biologique réel pour aider à effectuer la chirurgie elle-même. Ces applications sont, pour l’instant, dans un environnement assez éloigné l’avenir, mais l’inclusion d’un circuit de la moelle épinière intact est un pas en avant important. «