I ricercatori hanno modificato il sistema olfattivo di una locusta per rilevare e discriminare tra diversi odori di ordigni esplosivi
Se vuoi potenziare una locusta da usare come insetto sniffatore di ordigni, ci sono alcune sfide tecniche che devono essere risolte prima di mandarla sul campo.
C'è un modo per dirigere la locusta, per dirle dove andare ad annusare? E poiché le locuste non possono (ancora) parlare, c'è un modo per leggere il cervello di questi insetti cyborg per sapere cosa stanno annusando?
Del resto, le locuste possono persino annusare gli esplosivi?
Sì e sì alle prime due domande. Precedenti ricerche della Washington University di St. Louis hanno dimostrato sia la capacità di controllare le locuste sia la capacità di leggere i loro cervelli, per così dire, per discernere cosa stanno annusando. E ora, grazie a una nuova ricerca della McKelvey School of Engineering, la terza questione è stata risolta.
La risposta, di nuovo: “sì”.
«Ora possiamo impiantare gli elettrodi, sigillare la locusta e trasportarli in ambienti mobili», ha detto il dottor Barani Raman (1). Un giorno, quell'ambiente potrebbe essere quello in cui la sicurezza nazionale è alla ricerca di esplosivi.
In un test, descritto sulla rivista Biosensors and Bioelectronics: X (2), i ricercatori hanno dirottato il sistema olfattivo di una locusta (Schistocerca americana) per rilevare e discriminare tra diversi odori esplosivi, il tutto entro poche centinaia di millisecondi dall'esposizione.
Gli scienziati hanno pure ottimizzato un sistema di rilevamento biorobotico sviluppato in precedenza in grado di rilevare i neuroni attivi delle locuste e trasmettere tali informazioni in un modo che comunicasse ai ricercatori gli odori che le locuste stavano percependo.
«Non sapevamo se sarebbero stati in grado di annusare o individuare gli esplosivi perché non hanno alcun significato ecologico significativo», ha detto il dottor Barani Raman, professore di ingegneria biomedica. «Era possibile che non si preoccupassero di nessuno dei segnali che erano significativi per noi in questo caso particolare».
Il lavoro precedente nel laboratorio di Raman ha portato alla scoperta che il sistema olfattivo della locusta potrebbe essere decodificato come un'operazione logica ‘or-of-ands’. Ciò ha permesso ai ricercatori di determinare l'odore di una locusta in diversi contesti.
Con questa conoscenza, i ricercatori sono stati in grado di cercare schemi simili quando hanno esposto le locuste ai vapori di TNT, DNT, RDX, PETN e nitrato di ammonio, un insieme di esplosivi chimicamente diversi. «La cosa più sorprendente», ha detto Raman, «abbiamo potuto vedere chiaramente che i neuroni hanno risposto in modo diverso a TNT e DNT, così come a questi altri vapori chimici esplosivi».
Con quel dato cruciale, Raman ha detto: «Eravamo pronti per metterci al lavoro. Siamo stati ottimizzati. Ora sapevano che le locuste potevano rilevare e discriminare tra diversi esplosivi, ma per cercare una bomba, una locusta avrebbe dovuto sapere da quale direzione proveniva l'odore».
I vapori esplosivi sono stati iniettati attraverso un foro nella scatola dove la locusta si trovava in un minuscolo veicolo. Mentre la locusta veniva portata in giro e annusava diverse concentrazioni di vapori, i ricercatori hanno studiato la sua attività cerebrale correlata all'odore.
I segnali nel cervello degli insetti riflettevano quelle differenze nella concentrazione di vapore.
Il passo successivo è stato quello di ottimizzare il sistema di trasmissione dell'attività cerebrale delle locuste. Il team, che comprendeva Shantanu Chakrabartty (3), professore di Clifford W. Murphy presso il dipartimento di ingegneria elettrica e dei sistemi di Preston M. Green, e Srikanth Singamaneni (4), professore di Lilyan & E. Lisle Hughes presso il dipartimento di ingegneria meccanica e scienza dei materiali, si è concentrato l'ampiezza della loro esperienza sulla minuscola locusta.
Per fare il minimo danno alle locuste e per mantenerle stabili al fine di registrare accuratamente la loro attività neurale, il team ha escogitato una nuova procedura chirurgica per attaccare gli elettrodi che non ostacolassero il movimento delle locuste. Con la loro nuova strumentazione in atto, l'attività neuronale di una locusta esposta a un odore esplosivo è stata risolta in uno schema percepibile specifico dell'odore entro 500 millisecondi.
«Ora possiamo impiantare gli elettrodi, sigillare la locusta e trasportarli in ambienti mobili», ha detto Raman. Un giorno, quell'ambiente potrebbe essere quello in cui la Sicurezza Nazionale sta cercando degli esplosivi.
L'idea non è così strana come potrebbe sembrare a prima vista, ha detto Raman.
«Questo non è molto diverso dai vecchi tempi, quando i minatori di carbone usavano i canarini», ha detto il ricercatore. «La gente usa i maiali per trovare i tartufi. È un approccio simile, usando un organismo biologico, è solo un po' più sofisticato».
La McKelvey School of Engineering della Washington University di St. Louis promuove la ricerca e l'istruzione indipendenti con un'enfasi sull'eccellenza scientifica, l'innovazione e la collaborazione senza confini. McKelvey Engineering ha programmi di ricerca e laurea di alto livello in tutti i dipartimenti, in particolare in ingegneria biomedica, ingegneria ambientale e informatica, e ha uno dei programmi universitari più selettivi del paese. Con 165 docenti a tempo pieno, 1.420 studenti universitari, 1.614 studenti laureati e 21.000 ex studenti viventi, stiamo lavorando per risolvere alcune delle più grandi sfide della società; preparare gli studenti a diventare leader e innovare nel corso della loro carriera; e per essere un catalizzatore dello sviluppo economico per la regione di St. Louis e oltre.
Riferimenti:
(1) Barani Raman
(2) Explosive sensing with insect-based biorobots
Descrizione foto: I ricercatori sono riusciti a dirottare il sistema olfattivo di una locusta per rilevare e discriminare tra diversi odori esplosivi, un altro passo verso le locuste che fiutano gli esplosivi. - Credit: Raman Lab.
Autore traduzione riassuntiva e adattamento linguistico: Edoardo Capuano / Articolo originale: Researchers one step closer to bomb-sniffing cyborg locusts