To odkritje brez primere ponuja nov vpogled v razvoj kompleksnih živčnih sistemov pri vrstah nevretenčarjev in ima potencial za navdih za razvoj avtonomnih podvodnih naprav in drugih inovacij robotskega inženiringa.

Hobotnice niso kot ljudje – so osmeroki nevretenčarji in so bolj sorodne školjkam in polžem. Kljub temu so razvili kompleksne živčne sisteme, ki vsebujejo enako število nevronov kot pasji možgani, kar jim omogoča izkazovanje širokega nabora kompleksnih vedenj.

Zaradi tega so zanimiva tema za raziskovalce, kot so dr. Melina Hale, William Rainey Harper, profesor biologije in podrektor. Univerza v ChicaguTisti, ki želijo razumeti, kako lahko alternativne strukture živčnega sistema izvajajo funkcije, podobne človeškim, kot je zaznavanje in nadzor gibanja udov.

V nedavni študiji, objavljeni v trenutna biologijaHale in njegovi kolegi so odkrili novo in presenetljivo značilnost živčnega sistema hobotnice: strukturo, ki omogoča intramuskularne živčne vrvice (INC), ki hobotnici pomagajo zaznati gibanje svoje roke, na nasprotnih straneh živali. .

Osupljivo odkritje ponuja nov vpogled v to, kako so vrste nevretenčarjev neodvisno razvile kompleksne živčne sisteme. Lahko je tudi navdih za robotsko inženirstvo, kot so nove avtonomne podvodne naprave.

Vodoravna rezina na dnu krakov (označena z A), ki prikazuje konvergenco in križanje oralnega INC (označeno z O). Zasluge: Kusplu et al., trenutna biologija2022

“V mojem laboratoriju preučujemo mehanosenzacijo in propriocepcijo – kako se zazna gibanje in položaj udov,” je dejal Hale. “Ti INC so že dolgo veljali za proprioceptivne, zato so bili zanimiva tarča za pomoč pri odgovorih na vprašanja, ki jih zastavlja naš laboratorij. Doslej na njih ni bilo veliko dela, vendar so prejšnji poskusi pokazali, da so pomembni za nadzor rok .”

Zahvaljujoč podpori za raziskave glavonožcev, ki jo je ponudil Morski biološki laboratorij, sta Hale in njegova ekipa za študijo lahko uporabila mlade hobotnice, kar je raziskovalcem omogočilo, da so naenkrat posneli osnove vseh osmih krakov. To je ekipi omogočilo sledenje INC skozi tkivo, da bi določili njihovo pot.

“Te hobotnice so bile velike približno kot nikelj ali morda četrtina, tako da je šlo za postopek, da so primerke zlepili v pravo orientacijo in dobili pravi kot med rezanjem. [for imaging]je dejal Adam Kuspalu, višji raziskovalni analitik pri UChicagu in glavni avtor študije.

Sprva je ekipa preučevala velike aksonske živčne vrvice v rokah, vendar je začela opažati, da se INC-ji niso ustavili na dnu roke, temveč so se premaknili iz roke v telo živali. Zavedajoč se, da je bilo le malo narejenega za sledenje anatomiji INC, je začel slediti živcem, saj je pričakoval, da bodo tvorili obroč, podoben aksilarnim živčnim vrvicam v telesu hobotnice.

Skupina je s slikanjem ugotovila, da se vsaj dva od štirih INC poleg premikanja po dolžini vsakega kraka razširita v telo hobotnice, kjer obideta dve sosednji kraki in se združita z INC tretjega kraka. Ta vzorec pomeni, da so vse roke povezane simetrično.

Vendar pa je bilo težko ugotoviti, ali bo vzorec zdržal v vseh osmih rokah. “Ko smo slikali, smo ugotovili, da se vsi ne združujejo, kot smo pričakovali, vsi so šli v različne smeri, in poskušali smo ugotoviti, zakaj, če bi vzorec veljal za vsa orožja, kako bi deloval? ” je rekel Hale. “Vzel sem celo eno od teh otroških igrač – spirograf – da vidim, kako bo videti, kako se bo na koncu sestavilo. Potrebno je bilo veliko slikanja in igranja z risbami, medtem ko smo si razbijali možgane.” zgodi, preden postane jasno, kako se vse ujema.

Rezultati niso bili točno takšni, kot so raziskovalci pričakovali.

“Menimo, da je to nov dizajn za nevronske sisteme, ki temeljijo na organih,” je dejal Hale. “Česa takega še nismo videli pri drugih živalih.”

Raziskovalci še ne vedo, kaj bi lahko omogočilo, da ta kreativni dizajn deluje, vendar imajo nekaj zamisli.

“Nekateri starejši članki so delili zanimive vpoglede,” je dejal Hale. “Študija iz petdesetih let 20. stoletja je pokazala, da ko manipulirate z eno roko na eni strani hobotnice s poškodovanimi možganskimi regijami, boste videli, da se roke odzovejo na drugi strani. Torej se lahko zgodi, da ti živci omogočajo decentraliziran nadzor afektivnega odziva ali vedenje. Kljub temu vidimo tudi, da gredo vlakna iz živčnih vrvic vzdolž njihovega trakta v mišice, tako da zagotavljajo kontinuiteto proprioceptivne povratne informacije in motoričnega nadzora po svoji dolžini. Lahko tudi da dovoljenje.

Ekipa trenutno izvaja poskuse, da bi ugotovila, ali lahko pridobi vpogled v to vprašanje z razčlenjevanjem fiziologije INC in njihove edinstvene postavitve. Preučujejo tudi živčne sisteme drugih glavonožcev, vključno z lignji in sipami, da bi ugotovili, ali imajo podobno anatomijo.

Navsezadnje Hale verjame, da poleg osvetljevanja nepričakovanih načinov, kako bi lahko vrsta nevretenčarjev oblikovala živčni sistem, bi razumevanje teh sistemov lahko pomagalo pri razvoju novih inženirskih tehnologij, kot so roboti.

“Hobotnice bi lahko bile biološki navdih za oblikovanje avtonomnih podvodnih naprav,” je dejal Hale. “Pomislite na njihove roke – upognejo se lahko kamor koli, ne samo v sklepih. Lahko prosto zvijajo, iztegujejo roke in upravljajo svoje sesalce. Funkcija roke hobotnice je veliko bolj sofisticirana od tega, zato je razumevanje, kako hobotnice povezujejo čute -motorične informacije in nadzor gibanja bi lahko pomagali pri razvoju novih tehnologij.

Referenca: Adam Kuspalu, Samantha Cody in Melina E. “Več živčnih vrvic povezuje roke hobotnice in zagotavlja alternativno pot za signalizacijo med rokami” Hale, 28. november 2022. trenutna biologija,
DOI: 10.1016/j.cub.2022.11.007

Študijo je financiral Urad Združenih držav za pomorske raziskave.