Грасиела Унгес, профессор биологии в Колледже искусств и наук, представила устройство этим летом на международной конференции Общества инженеров в медицине и биологии IEEE в Италии после двухлетнего сотрудничества с доцентом электротехники NMSU Вей Тангом и местная компания системного инжиниринга под названием Visgence, Inc.
«Мы надеемся, что многие люди в нашем научном сообществе увидят в этом возможность для подводных исследований», — сказал Унгес. "Существует так много видов животных, которые не изучаются, но обладают огромным потенциалом для расширения нашей базы знаний."
Хотя это обычное явление в исследованиях наземных животных и насекомых, форма электрических манипуляций, которую позволяет устройство Унгеза и Танга, беспрецедентна в подводных исследованиях из-за экологических ограничений, таких как коррозия оборудования и доступность. Доклад на конференции в Италии, озаглавленный «Носимый рюкзак-стимулятор с трехмерной печатью для хронической водной стимуляции in vivo», подчеркнул этот новый рубеж в подводной инженерии и исследованиях в области нейробиологии.
Система содержит пульт дистанционного управления, схему стимулятора, батарею со сроком службы более 100 дней и рюкзак, напечатанный на 3D-принтере, который позволяет целевой рыбе переносить все оборудование в водонепроницаемых корпусах.
«Схема стимуляции представляет собой простую форму прямоугольного импульса», — сказал Тан, который руководит аспирантами и подрядчиками при разработке схем датчика и стимулятора системы. "Мы можем контролировать амплитуду и частоту повторения этих импульсов."
В то время как Тан и Унгез предсказывают более широкое применение, рюкзак был первоначально разработан для продвижения исследований Унгуэса по длиннохвостой рыбе-ножу, более известной как рыба с желтой полосой.
Этот вид рыб, обитающий к югу от экватора в Южной Америке и Африке, имеет очень специализированную ткань, получившую название электрического органа. Этот орган создает электрическое поле вокруг тела рыбы; Считается, что эта электрическая мощность позволяет рыбе регенерировать или восстанавливать утраченные клетки, ткани или органы, как это делает ящерица после того, как теряет хвост.
Клетки электрического органа развиваются из скелетных мышц рыбы, которые похожи на мышцу, прикрепляющуюся к костям в человеческом теле. Без каких-либо манипуляций рыба может восстановить все ткани хвоста при удалении или повреждении части. Однако, вставляя электроды в спинной мозг, Унгез может изменять электрическую активность, используя схему стимулятора рюкзака, и документировать влияние различных электрических паттернов на регенеративные способности рыбы.
Во время предыдущих экспериментов по стимуляции электроды, которые были прикреплены к рыбе и подключены к устройствам вне аквариума, отсоединялись в течение трех или четырех дней, объяснил Унгес.
Используя рюкзак, они теперь могут стимулировать дистанционно, за пределами аквариума, поскольку рыба свободно перемещается.
«Затем мы можем начать изучать, как различные типы стимуляции, которые мы доставляем, могут влиять на способность рыбы не только регенерировать свой хвост, но и изменять свойства скелетных мышц и тканей электрических органов», — сказал Унгес.
Помимо регенерации тканей, некоторые водные животные, такие как рыба-нож, будут вырабатывать электричество для целей навигации, выбора партнера, общения, поиска добычи и самообороны.
«Мы говорим, — сказал Унгес, — мы используем свой голос — они используют электричество.
Так что это чувство узкоспециализированное; это чрезвычайно сложно с точки зрения схемы в их мозгу. Это имеет значение для биофизиков, инженеров и всех, кто изучает, как этот способ коммуникации может происходить под водой."
Пока неизвестно, обладает ли электрическая рыба чем-то генетически отличным, что позволяет ее мышечным клеткам генерировать этот электрический орган.
«Пока что мы не обнаружили ничего особенного в их генах по сравнению с нами», — сказал Унгес. "Идеальный вопрос мечты: можем ли мы превратить некоторые из наших мышц в электрический орган или в совершенно другой тип клеток, которого у нас нет??
Я думаю, что ответ — да — это просто вопрос тех паттернов электрической активности, которые в основном дают клеткам разные сигналы, сообщая им, что делать, что не делать, какую форму принимать и т. Д."
В будущем Унгес попытается изолировать и стимулировать клетки электрических органов из хвоста электрической рыбы внутри чашки Петри. Это предложит более контролируемый эксперимент и продемонстрирует возможность воспроизведения внутренних процессов рыбы во внешней среде.
Tang будет работать над минимизацией существующей системы стимуляторов для потенциальных будущих медицинских применений.