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«Salamander sind einzigartig, weil sie als einzige Vierfüssler das Rückenmark mit voller Funktionalität nachwachsen lassen können», sagt Auke Ijspeert, Leiter des Biorobotik-Labors der EPFL. Nach einer Verletzung wirkt die «Magie» und das Amphibium kann seine volle Beweglichkeit wiedererlangen.
Ein Team von Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftlern unter Leitung von Ijspeert zusammen mit András Simon, Professor am Karolinska-Institut in Schweden, und Dimitri Ryczko, Assistenzprofessor am Labor für motorische Kontrolle der Université de Sherbrooke in Kanada, untersucht im Rahmen eines Projekts, das gerade vom Europäischen Forschungsrat einen Synergy-Grant erhalten hat, die genaue Funktionsweise dieses Prozesses.
Neuronale Mechanismen entschlüsseln
Die Forschenden wollen Methoden aus der Genomik, den Neurowissenschaften, der Computermodellierung und der Biorobotik kombinieren, um die neuronalen Mechanismen zu entschlüsseln, die der Regeneration des Rückenmarks zugrunde liegen. «Das Nervensystem eines Salamanders hat die gleichen funktionellen Elemente wie das eines Säugetiers, aber in einer relativ vereinfachten Struktur», sagt Ryczko. «Das macht Salamander zu idealen Kandidaten für die Untersuchung des Bewegungsapparates bei Wirbeltieren.»
Das Projekt zielt auch darauf ab, besser zu verstehen, wie das zentrale und periphere Nervensystem während der Fortbewegung zusammenwirken. «Das Rückenmark ist Teil des zentralen Nervensystems und dient als Kontrollraum für die Fortbewegung», sagt Ijspeert. Forschende hatten bereits beobachtet, wie neuronale Netzwerke in einem isolierten Rückenmark selbständig schwingen und die richtigen Befehle für die Bewegung geben. «Das ist überraschend, denn es bedeutet, dass das Rückenmark automatisch weiss, welche Signale es an die Muskeln senden muss, um deren Bewegung zu regulieren, ohne dass es dazu Inputs vom Rest des Körpers benötigt», so Ijspeert. Aber das Rückenmark ist nicht allein im Kontrollraum. Das periphere Nervensystem ist ebenfalls dort, übermittelt sensorische Informationen über die Umgebung des Körpers an das zentrale Nervensystem und nimmt an der Bewegungssteuerung teil. Das Forschungsteam glaubt, dass diese Redundanz zusammen mit der physischen Interaktion zwischen dem Körper eines Salamanders und seiner Umgebung eine wichtige Rolle im Prozess der funktionellen Erholung spielt.
Vorteile der interdisziplinären Forschung
Um ihre Hypothese zu überprüfen, werden die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler ihr Know-how in ihren jeweiligen Fachgebieten kombinieren. Ryczko wird sein Wissen über die biologischen Mechanismen der motorischen Kontrolle nutzen, um zu untersuchen, wie neuronale Netze strukturiert sind. Mit Hilfe der Optogenetik – einer Methode, bei der Neuronen für Licht empfindlicher gemacht und dann bestimmte Arten von Nervenzellen stimuliert werden – misst er die Neuronenaktivität vor und nach einer Rückenmarksverletzung. Simon, ein Experte auf dem Gebiet der neuralen Regeneration, hat das Salamander-Genom charakterisiert; er liefert die optogenetischen Werkzeuge, die für Ryczkos Arbeit benötigt werden, und untersucht die molekularen Eigenschaften der regenerierten neuralen Netzwerke.
Schliesslich werden Ijspeert und sein Team Computermodelle der neuronalen Netze entwickeln und Biorobotik-Know-how bereitstellen, so dass die Modelle nicht nur durch Simulationen, sondern auch an einer verbesserten Version des Salamander-Roboters Pleurobot getestet werden können. «Wir werden eine Art taktile Haut für den Roboter schaffen», sagt Ijspeert. «Da es schwierig ist, die Wechselwirkungen des Körpers eines Salamanders mit seiner Umgebung – Sand, Wasser, Schlamm usw. – zu modellieren, werden wir sie mit dem Roboter nachstellen. Das wird uns zeigen, wie die Umgebung des Tieres seine Fortbewegung beeinflusst, und uns wertvolle Einblicke in die Wechselwirkungen des Körpers mit dem Nervensystem geben.»
Eine Kluft überbrücken
Simon fügt hinzu: «Salamander sind die einzigen Wirbeltiere, die sowohl über den Bewegungskreislauf eines Tetrapoden als auch über die Fähigkeit verfügen, Neuronen zu regenerieren. Die evolutionäre Position des Salamanders bietet uns eine einzigartige Gelegenheit, eine Brücke zu den Entdeckungen zu schlagen, die bei regenerativen, aber beinlosen Wirbeltieren wie Fischen und nicht regenerativen, terrestrischen Säugetieren gemacht wurden.»
Obwohl sich dieses Projekt hauptsächlich auf die Grundlagenforschung konzentriert, sieht Ijspeert auch potenzielle Anwendungen in seinem Fachgebiet: «Wir hoffen, dass eines Tages die Konzepte der robusten Mechanismen und der Regeneration auf die Robotik übertragen werden können, so dass Ingenieurinnen fehlertolerante Maschinen bauen können, die trotz Schäden an ihrer elektronischen und mechanischen Hardware weiter funktionieren.»