Это новаторское открытие позволяет по-новому взглянуть на эволюцию сложных нервных систем у беспозвоночных и может вдохновить на разработку автономных подводных устройств и других инноваций в робототехнике.
Осьминоги не похожи на людей — это беспозвоночные с восемью руками и тесно связаны с моллюсками и слизнями. Несмотря на это, у них развилась сложная нервная система с таким же количеством нейронов, как и в мозгу собаки, что позволяет им демонстрировать разнообразные сложные формы поведения.
Это делает эту тему интересной для таких исследователей, как Мелина Хилл, доктор философии, Уильям Ренни Харпер, профессор биологии организмов и вице-канцлер университета в Чикагский университеткоторые хотят понять, как альтернативные структуры нервной системы могут выполнять те же функции, что и у людей, например, ощущать движение конечностей и контролировать движение.
В недавнем исследовании, опубликованном в Текущая биологияЗатем Хилл и его коллеги обнаружили удивительную новую особенность нервной системы осьминога: структуру, которая позволяет нервно-мышечному тяжу (INC), который помогает осьминогу чувствовать движение своих рук, соединяться с руками по обе стороны от его тела. животное.
Удивительное открытие дает новое представление о том, как виды беспозвоночных независимо развили сложные нервные виды. Это также может послужить источником вдохновения для робототехники, такой как новые автономные подводные устройства.
Горизонтальный срез у основания плеча (обозначен А) показывает схождение и пересечение губной INC (обозначен О). Предоставлено: Kuuspalu et al. , Текущая биология2022
«В моей лаборатории мы изучаем механоощущение и проприоцепцию — то, как ощущается движение и положение конечностей», — говорит Хилл. «Долгое время считалось, что эти INC являются сенсорными, поэтому они стали интересной мишенью для помощи в ответах на вопросы, которые задает наша лаборатория. На сегодняшний день над ними проделано не так много работы, но предыдущие эксперименты показали, что они важны для контроля над руками».
Благодаря поддержке исследований головоногих, предоставленной Лабораторией морской биологии, Хилл и его команда смогли использовать для исследований детенышей осьминогов, которые были достаточно малы, чтобы исследователи могли одновременно визуализировать нижнюю часть восьми рук. Это позволяет команде отслеживать INC по сети, чтобы определить их траекторию.
«Этот осьминог размером с пятицентовик или, может быть, с четвертак, так что это был процесс приклеивания образца в правильном направлении и получения правильного угла при нарезке. [for imaging]сказал Адам Коспало, старший аналитик UChicago и ведущий автор исследования.
Первоначально команда изучала более крупный аксональный нервный тяж в руке, но они начали замечать, что INC не останавливается у основания руки, а вместо этого продолжает выходить из руки в тело животного. Понимая, что было проделано мало работы по изучению анатомии INC, они начали отслеживать нервы, ожидая, что они образуют петли в теле осьминога, подобные аксональным нервным тяжам.
С помощью визуализации команда определила, что в дополнение к длине каждой руки, по крайней мере, две из четырех INC проходят в тело осьминога, где они проходят через соседнюю руку и присоединяются к INC третьей руки. Этот узор означает, что все руки связаны симметрично.
Тем не менее, трудно сказать, как шаблон будет сохраняться на всех восьми плечах. «Во время съемки мы поняли, что они не все собираются вместе, как мы надеялись, все они, казалось, двигались в разных направлениях, и мы пытались выяснить, что, если шаблон был одинаковым для всех рук, как? работай?” — сказал Хилл. «Я даже принесла одну из этих детских игрушек — спирограф — чтобы поиграть с тем, как он выглядит и как все это в конце концов соединится. Нам потребовалось много съемок и игр с диаграммами, пока мы ломали голову над тем, что могло произойти, прежде чем стало ясно, как все это сочетается». .
Результаты оказались совсем не такими, на которые надеялись исследователи.
«Мы думаем, что это новая конструкция нервной системы на основе конечностей», — сказал Хилл. «Мы никогда не видели ничего подобного ни у одного другого животного».
Исследователи еще не знают, какова функция этой анатомической конструкции, но у них есть некоторые идеи.
«Несколько более старых исследовательских работ содержали интересные идеи, — сказал Хилл. Одно исследование, проведенное в 1950-х годах, показало, что когда вы манипулируете рукой с одной стороны осьминога с поврежденной частью мозга, вы увидите реакцию руки с другой стороны. Следовательно, эти нервы обеспечивают децентрализованный контроль над рефлекторными реакциями или поведением. Однако мы также видели, что волокна выходят из нервного шнура к мышцам по их трактам, поэтому они также обеспечивают непрерывность аллергических реакций и моторного контроля по их проводящим путям. “
В настоящее время команда проводит эксперименты, чтобы выяснить, смогут ли они разобраться в этом вопросе, анализируя уникальную физиологию и картирование INC. Они также изучили нервную систему других головоногих, в том числе каракатиц и каракатиц, чтобы увидеть, имеют ли они одинаковую анатомию.
В конечном счете, Хилл считает, что в дополнение к прояснению неожиданных способов, с помощью которых виды беспозвоночных могут создавать нервные системы, понимание этих систем может помочь в разработке новых инженерных технологий, таких как робототехника.
«Осьминоги могут стать биологическим источником вдохновения для разработки автономных устройств под водой», — сказал Хилл. «Подумайте об их руках — они могут сгибаться где угодно, не только в суставах. Они могут вращать и вытягивать руки и управлять своими присосками независимо друг от друга. Функции рук осьминога намного сложнее наших, поэтому понимание того, как осьминоги интегрируют сенсомоторную информацию и контролируют свои движения, может помочь в разработке новых технологий.
Ссылка: «Множество нервных тяжей соединяют руки осьминога, обеспечивая альтернативные пути передачи сигналов между руками». Авторы Адам Коспало, Саманта Кадди и Мелина Э. Хилл, 28 ноября 2022 г., доступно здесь. Текущая биология.
DOI: 10.1016/j.cub.2022.11.007
Это исследование финансировалось Управлением военно-морских исследований США.
