Som barn, fysikern Seth Fraden älskade filmen "Fantastic Voyage, " om en mikroskopisk ubåt som färdas genom ett mänskligt blodomlopp. För nästan 10 år sedan, Fraden började ett uppdrag för att skapa en robotål som han kunde skicka på en liknande resa, även om det inte skulle vara för underhållning. Ålen skulle vara utformad för att leverera ett läkemedel till celler eller gener. Och för att fånga flexibiliteten hos den verkliga havsdjuren, det skulle ta formen av en gel som kunde glida genom vatten.

I vår, Fraden meddelade att han hade uppnått de första stegen mot att förverkliga sin vision. I journalen Lab on a Chip , han rapporterade att han och hans team hade skapat en modell med kemikalier och mikroskopiska behållare i ett nätverk av neuroner. Det är detta nätverk som är primärt ansvarigt för ålens sicksacksimrörelse.

Fraden planerar nästa att bädda in sitt neurala nätverk i en gel. Om allt går som planerat, gelen kommer faktiskt att röra sig på samma sätt som en ål gör när den simmar.

Varför en ål?

Robotålen är en del av en större satsning från Fraden för att bygga maskiner gjorda av kemikalier och andra syntetiska material som beter sig som levande organismer. "Animating inanimate matter" är hur han beskriver det. Han väcker inte oorganisk materia till liv. Han bygger enheter som fungerar ungefär som aspekter och egenskaper hos levande varelser – kläder som reparerar sig själv med samma process som våra celler använder för att stänga ett sår, till exempel, eller nanobotar som simmar som fiskar genom vattenrör, transportera material för att reparera rörskador. Fradens artificiella neurala nätverk är bara början.

Jämfört med de flesta havsdjur, ålen har ett relativt enkelt system för simning. Dess ryggrad sträcker sig längs hela kroppen och är omgiven på båda sidor av en kolumn av nervceller. När neuroner skjuter sekventiellt ner i en av kolumnerna, de orsakar en våg av muskelsammandragning, gör ryggradskurvan. När nervcellerna i den andra kolumnen eldar, ryggraden kröker i motsatt riktning. Resultatet är en mjuk fram och tillbaka rörelse av ryggraden när ålen simmar.

Fraden följer en process i tre steg för att bygga sin drogleveransål.

Steg 1:Skapa en neuron.

Neuroner pendlar mellan två tillstånd - exciterande och hämmande. I det excitatoriska läget, de får andra neuroner att brinna. När de är hämmande, de hindrar andra neuroner från att skjuta.

När det händer, det finns en klass av kemiska reaktioner som pendlar mellan två tillstånd, jämförbara med en neurons. Den observerades först på 1950- och 60-talen av de ryska forskarna Boris Belousov och Anatol Zhabotinsky, BZ-reaktionen, som det heter, går fram och tillbaka mellan tillstånd av aktivitet och inaktivitet.

Irv Epstein, Henry F. Fischbach professor i kemi, är en av världens främsta experter på BZ-reaktionen. Han arbetade sida vid sida med Zhabotinsky, som kom till Brandeis som adjungerad professor i kemi efter Sovjetunionens kollaps. Det var Epstein, tillsammans med flera andra forskare, som påpekade att det aktiva/inaktiva mönstret för BZ-reaktionen var analogt med nervcellers uppvisande/hämmande beteende. Detta ledde till att Fraden använde BZ -reaktioner för att skapa sina artificiella neuroner.

Nu när han hade hittat sina "neuroner, " Fraden och hans labb konstruerade en behållare för att hålla dem. Den såg ut som en isbitsbricka med två kolumner, var och en indelad i individuella iskubsfack.

Steg 2:Bygg ett neuralt nätverk.

Som Fraden tänkt sig det, varje isbitfack var en individuell neuron. Detta gjorde kolumnerna jämförbara med nervcellerna på vardera sidan av ålens ryggrad.

Fraden fyllde var och en av isbitskamrarna med en flytande lösning innehållande de kemikalier som var nödvändiga för BZ -reaktionen. Den första BZ-reaktionen inträffade i behållaren överst i en av kolumnerna. När den blev aktiv (exciterande), det släppte en molekyl som kom in i iskubsbehållaren direkt under den, aktiverar

Nästa, BZ-reaktionen blev inaktiv (hämmande). Den släppte sedan en molekyl som färdades till iskubsbehållaren mittemot den, effektivt undertrycka, eller sätta på is, BZ -reaktionen i behållaren.

Ett mönster dök upp. En och en, BZ-reaktionerna i en kolumn aktiverades, medan BZ-reaktionerna i den andra kolumnen sattes i pausläge. När alla BZ-reaktioner i den första kolumnen var klara, reaktionerna i den andra kolumnen kom ur paus och startade.

Den andra kolumnens reaktioner fortsatte också efter varandra, nedåt. Och de undertryckte nu också reaktionerna i den första kolumnen. Således, den första kolumnen startade igen först efter att den andra kolumnens reaktioner var klara.

Anmärkningsvärt, BZ-reaktionerna var sammankopplade och kommunicerade med varandra i samma ordning som ålens spinalneuroner, går av en i taget, den ena kolumnen efter den andra. Fraden sammanfogade BZ-reaktionerna så att de, i själva verket, agerade tillsammans som en enda enhet.

Varför färdades de aktiverande molekylerna endast vertikalt och de avaktiverande endast horisontellt? Detta berodde på utformningen av avdelarna mellan behållarna. Avdelare i kolonnerna tillät endast aktiverande molekyler att passera igenom. Avdelare mellan kolumnerna tillät endast avaktivera sådana.

Det tredje steget:Det neurala nätverket går in i en gel.

Fraden har valt en kemiskt känslig formförändrande gel som han ska implantera sin iskubsbricka i. "Vi hoppas att materialet kommer att bete sig på samma sätt som en åls kropp gör som svar på avfyrningen av dess nervceller, " säger han. "Det kommer att glida iväg."