Це революційне відкриття дає нове уявлення про еволюцію складних нервових систем у видів безхребетних і може надихнути на розробку автономних підводних пристроїв та інших інновацій у робототехніці.
Восьминоги не схожі на людей — вони безхребетні з вісьмома руками і тісно пов’язані з молюсками та равликами. Незважаючи на це, вони розвинули складну нервову систему з такою ж кількістю нейронів, як мозок собак, що дозволило їм демонструвати широкий спектр складної поведінки.
Це робить його цікавою темою для таких дослідників, як Меліна Хілл, доктор філософії, Вільям Ренні Гарпер, професор біології організмів і віце-канцлер університету Чиказький університетякі хочуть зрозуміти, як альтернативні структури нервової системи можуть виконувати ті ж функції, що й у людини, наприклад сприймати рухи кінцівок і контролювати рухи.
У недавньому дослідженні, опублікованому в Сучасна біологіяПотім Хілл та її колеги виявили дивовижну нову особливість нервової системи восьминога: структуру, яка дозволяє нервово-м’язовим зв’язкам (INC), які допомагають восьминогу відчувати рух рук, з’єднуватися з руками по обидві сторони тварини.
Це приголомшливе відкриття дає нове розуміння того, як види безхребетних незалежно еволюціонували складні види нейронів. Це також може надихнути робототехніку, наприклад, нові автономні підводні пристрої.
Горизонтальний зріз біля основи рук (позначений A), що показує конвергенцію та перетин оральних INC (позначений O). Авторство: Кууспалу та ін. , Сучасна біологія2022
«У моїй лабораторії ми вивчаємо механосприйняття та пропріоцепцію — як сприймаються рух і положення кінцівок», — сказав Гілл. “Ці INC довгий час вважалися сенсорними, тому вони були цікавою мішенню, щоб допомогти відповісти на питання, які ставить наша лабораторія. На сьогоднішній день над ними не проводилося багато роботи, але попередні експерименти показали, що вони важливо для контролю над рукою».
Завдяки підтримці дослідження головоногих молюсків, наданій Морською біологічною лабораторією, Хілл та її команда змогли використати для дослідження дитинчат восьминогів, які були достатньо малими, щоб дозволити дослідникам відразу сфотографувати основу восьми рук. Це дозволяє команді відстежувати INC через тканину, щоб визначити їхню траєкторію.
«Ці восьминоги були приблизно з нікель або, можливо, з чверть, тому це був процес склеювання зразків у правильному напрямку та отримання правильного кута під час нарізання. [for imaging]сказав Адам Кооспало, старший аналітик з UChicago та провідний автор дослідження.
Спочатку команда вивчала більші аксональні нервові тяжі на руках, але вони почали помічати, що INCs не зупинялися біля основи руки, а продовжували виходити з руки в тіло тварини. Зрозумівши, що дослідження анатомії INC було зроблено мало, вони почали відстежувати нерви, очікуючи, що вони утворять петлю в тілі восьминога, подібну до аксональних нервових ниток.
За допомогою зображень команда встановила, що окрім довжини кожної руки, принаймні два з чотирьох циліндрів простягаються в тіло восьминога, де вони обходять сусідні руки та зливаються з INC третьої руки. Цей візерунок означає, що всі руки з’єднані симетрично.
Однак було важко сказати, як візерунок буде триматися на всіх восьми рукавах. «Під час зйомок ми зрозуміли, що вони не всі збираються разом, як ми очікували, всі вони, здавалося, рухаються в різних напрямках, і ми намагалися з’ясувати, як, якщо візерунок узгоджений для всіх рук, як це робота?” – сказав Хілл. “Я навіть приніс одну з цих дитячих іграшок — спірограф — щоб пограти з тим, як це буде виглядати, і як все зрештою поєднається. Потрібно було багато знімати та грати з графікою, поки ми ламали голову над тим, що може статися до того, як стане зрозуміло, як це все поєднується».
Результати були зовсім не такими, як очікували дослідники.
«Ми вважаємо, що це нова конструкція нервової системи на основі кінцівок», — сказав Хілл. «Ми не бачили нічого подібного в інших тварин».
Дослідники ще не знають, яку функцію може виконувати ця анатомічна конструкція, але у них є деякі ідеї.
«У деяких старих дослідницьких роботах є цікаві висновки», — сказав Хілл. Одне дослідження 1950-х років показало, що коли ви маніпулюєте рукою з одного боку восьминога з пошкодженими ділянками мозку, ви побачите, що руки реагують з іншого боку. Таким чином, ці нерви можуть забезпечити децентралізований контроль рефлекторної реакції або поведінки. Однак ми також бачимо, що волокна виходять із нервових канатиків у м’язи вздовж їх трактів, тому вони також можуть забезпечувати безперервність алергічних реакцій і моторного контролю по своїй довжині. “
Наразі команда проводить експерименти, щоб дізнатися, чи зможуть вони зрозуміти це питання, аналізуючи фізіологію та унікальне відображення INC. Вони також вивчають нервову систему інших головоногих молюсків, включаючи каракатиць і каракатиць, щоб побачити, чи мають вони подібну анатомію.
Зрештою, Хілл вважає, що окрім проливання світла на несподівані способи, як види безхребетних можуть створювати нервову систему, розуміння цих систем може допомогти розробити нові інженерні технології, такі як робототехніка.
«Восьминоги можуть стати біологічним джерелом натхнення для розробки автономних пристроїв під водою», — сказав Хілл. “Подумайте про їхні руки — вони можуть згинатися де завгодно, а не лише в суглобах. Вони можуть крутити й розгинати руки й керувати своїми присосками, все незалежно. Функція руки восьминога набагато складніша, ніж наша, тому розуміння того, як восьминоги інтегруються сенсомоторна інформація та контроль їхнього руху можуть підтримувати розвиток нових технологій».
Довідка: «Кілька нервових ниток з’єднують руки восьминогів, забезпечуючи альтернативні шляхи для передачі сигналів між руками» Адам Куспало, Саманта Кадді та Меліна Е. Хілл, 28 листопада 2022 р., доступно тут. Сучасна біологія.
DOI: 10.1016/j.cub.2022.11.007
Дослідження фінансувалося Управлінням військово-морських досліджень США.
“Професійний вирішувач проблем. Тонко чарівний любитель бекону. Геймер. Завзятий алкогольний ботанік. Музичний трейлер”
