美國塔夫斯大學與哈佛大學Wyss研究所的研究團隊，在早前「青蛙胚胎活體機器人」（xenobots）的基礎上，再次推動生物工程邊界，開發出擁有自主神經系統的全新微型活體——「神經機器人」（neurobots）。這些機器人展現自組織的神經網絡，以及更複雜的行為模式，為理解生物體如何構建功能結構提供了新窗口。 早在 2020 年，塔夫斯大學研究人員曾利用非洲爪蟾（Xenopus laevis）胚胎細胞，建構出微米級的「類機器人」生物結構——青蛙胚胎機器人。
它們能在水中運作、自修復，甚至掠奪散落細胞，生成新個體。這些完全由活細胞自組織而成的結構無需支架，也未涉及基因修改，壽命約 9 至 10 天，依賴原始胚胎細胞中儲存的鐵等維生素維持生存。在此基礎上，研究團隊一直探索：若為這些活體結構「裝上」神經系統，會發生什麼？
神經機器人的自組與功能
最新研究中，科學家在建構生物機器人主體時，植入一群會發育成神經元的前體細胞，形成所謂「神經機器人」。這些細胞在球形聚合體尚處發育早期短暫時間窗內被嵌入，隨後逐漸成簇，長出樹突和軸突，並向內部與表面延伸，建構起簡易而完整的神经网络。相關成果近日發表於《Advanced Science》期刊。 該項目由塔夫斯大學Vannevar Bush生物學教授 Michael Levin 與Wyss研究所的 Haleh Fotowat 聯手領導，屬於他們更大範圍研究計劃的一部分，聚焦於讓一群細胞在隨機環境下如何
自組織成複雜結構。研究團隊希望，這類「從零開始」的系統能揭示神經系統形成與塑造的基本法則，從而為生物學與再生醫學提供理論基礎，未來或可用於設計新型生物結構或修復受損組織。 在三維實體實驗中，團隊首先從非洲爪蟾早期胚胎中分離出前體表皮細胞，這些細胞在培養皿中會自然聚集成小球狀結構，表面覆蓋著密集的纖毛（多纖毛細胞）。纖毛的協調擺動使原本的「青蛙胚胎機器人」能在水中遊動。
加入神經前體細胞後，形成的神經機器人在形態上與以往相比發生明顯變化，整體更大，也更為修長。 顯微觀察顯示，這些嵌入的神經元不僅發育出典型的樹突和軸突結構，還表達突觸相關蛋白標記，表明細胞間建立了連接並具備信號傳遞能力。透過鈣成像技術，研究人員進一步證實，神經機器人內部的神經元能進行電活動，形成簡化的功能性神经网络。 神經系統的加入也顯著改變了這些活體機器的行為模式。
與不含神經元生物機器人相比，神經機器人整體活動更為頻繁，運動軌跡更複雜，呈現出重複的運動模式，而非簡單的直線或隨機遊動。為驗證神經活動在行為中的作用，團隊使用已知影響大腦活動並誘發癲癇反應的藥物四氧戊四氮（pentylenetetrazole），觀察其對這些活體結構運動的影響。結果顯示，藥物對神經機器人的運動模式產生變化，與其對不含神經元生物機器的作用截然不同，證明新形成的神經網絡正主動塑造這些「機器」的行為。
Fotowat 表示，這項工作並非為生物機器人添加「控制單元」，更重要的是借此反推神經系統形成的原初機制。她指出，相較於在斑馬魚等成體動物體內追蹤神經元如何參與行為產生，神經機器人提供了一個「從無到有」構建神經系統的平臺，從而可探討：「把神經元置入一個完全前所未有的環境，它們會依循哪些先天法則組織成網絡？」 Levin 則強調，神經機器人為研究「在一個具備身體的系統中，神經網絡如何影響決策與行為」提供了獨特機會。
在傳統實驗模型中，身體與神經系統往往經歷漫長共同進化史，而神經機器人則是一個無進化背景的全新組合，有助於剝離進化因素，直接觀察細胞與網絡如何在物理結構中協同工作。 除了形態與行為變化，研究人員还在神經機器人中發現意想不到的基因表達模式。在與主要腦受體相關的基因之外，團隊還檢測到許多涉及視覺處理的基因被激活，其中包括通常在眼睛光敏細胞中表達的基因。這意味著，若進一步延長其壽命、優化培養條件，神經機器人未來或能發展出對光的反應能力。
Levin 提出一個前瞻性假設：這些神經機器人可能正「預先上調」某些對未來潛在功能有用的基因模塊，為後續功能進化做準備。「如果它們能活得更久，會不會進一步發展出真正的光感受器？」他表示，這是團隊目前正積極探索的問題。 研究人員指出，要想利用生物材料「建構全新事物」，首先須理解細胞如何自主解決問題、在隨機環境中做出「決策」。神經機器人正是這類實驗平臺：無預定發育程序、無自動選擇遺留的結構模板，卻仍展現出自組織、形成網絡、產生行為的能力。
這不僅挑戰了我們對「身體」與「神經系統」邊界的傳統理解，也為未來可編程的活體系統——例如可自修復的微型醫療器械、智能組織工程構件——打開了想像空間。
