Tento prevratný objav poskytuje nové poznatky o vývoji zložitých nervových systémov u druhov bezstavovcov a má potenciál inšpirovať vývoj autonómnych podvodných zariadení a ďalších inovácií v robotickom inžinierstve.

Chobotnice nie sú ako ľudia – sú to bezstavovce s ôsmimi ramenami a úzko súvisia s mušľami a slimákmi. Napriek tomu si vyvinuli komplexné nervové systémy s toľkými neurónmi ako psie mozgy, čo im umožnilo prejavovať širokú škálu komplexného správania.

Vďaka tomu je to zaujímavá téma pre výskumníkov, akými sú Melina Hill, Ph.D., William Rennie Harper, profesor biológie organizmov a univerzitný vicekancelár na University of Chicagoktorí chcú pochopiť, ako môžu alternatívne štruktúry nervového systému vykonávať rovnaké funkcie ako tie u ľudí, ako je snímanie pohybu končatín a ovládanie pohybu.

V nedávnej štúdii publikovanej v Súčasná biológiaPotom Hill a jej kolegovia objavili prekvapujúcu novú vlastnosť nervového systému chobotnice: štruktúru, ktorá umožňuje neuromuskulárnym povrazcom (INC), ktoré pomáhajú chobotnici vnímať pohyb ramien, spojiť sa s ramenami na oboch stranách zvieraťa.

Prekvapivý objav poskytuje nové poznatky o tom, ako sa bezstavovce nezávisle vyvinuli komplexné neurónové druhy. Mohlo by to tiež poskytnúť inšpiráciu pre robotické inžinierstvo, ako sú nové autonómne podvodné zariadenia.

Horizontálny rez na spodnej časti ramien (označený A) zobrazujúci konvergenciu a priesečník orálnych INC (označených O). Kredit: Kuuspalu et al. , Súčasná biológia2022

„V mojom laboratóriu študujeme mechanosenzáciu a propriocepciu – ako sa sníma pohyb končatín a ich poloha,“ povedal Hill. „Tieto INC boli dlho považované za senzorické, takže boli zaujímavým cieľom, ktorý nám pomohol odpovedať na otázky, ktoré si naše laboratórium kladie. Doteraz sa na nich veľa práce neurobilo, ale predchádzajúce experimenty ukázali, že sú dôležité pre ovládanie paží.“

Vďaka podpore výskumu hlavonožcov, ktorú poskytlo Marine Biological Laboratory, Hill a jej tím mohli na štúdiu použiť mláďatá chobotníc, ktoré boli dostatočne malé na to, aby umožnili výskumníkom zobraziť základňu ôsmich ramien naraz. To umožňuje tímu sledovať INC cez tkanivo a určiť ich trajektóriu.

„Tieto chobotnice boli veľké asi ako nikel alebo možno štvrtina, takže išlo o proces lepenia vzoriek správnym smerom a získanie správneho uhla pri krájaní. [for imaging]povedal Adam Koospalo, vedúci výskumný analytik v UChicago a hlavný autor štúdie.

Spočiatku tím študoval väčšie axonálne nervové šnúry v ramenách, ale začali si všimnúť, že INC sa nezastavili na spodnej časti ramena, ale pokračovali von z ramena do tela zvieraťa. Uvedomili si, že pri skúmaní anatómie INC sa vykonalo len málo práce, začali sledovať nervy a očakávali, že v tele chobotnice vytvoria slučku, podobnú axonálnym nervovým šnúram.

Prostredníctvom zobrazovania tím zistil, že okrem dĺžky každého ramena zasahujú aspoň dva zo štyroch valcov do tela chobotnice, kde obchádzajú susedné ramená a spájajú sa s INC tretieho ramena. Tento vzor znamená, že všetky ramená sú spojené symetricky.

Bolo však ťažké povedať, ako vzor obstojí na všetkých ôsmich ramenách. „Počas natáčania sme si uvedomili, že nie všetci sa spojili, ako sme očakávali, zdalo sa, že všetci idú rôznymi smermi a snažili sme sa zistiť, ako ak je vzor konzistentný pre všetky ramená, ako to práca?“ povedal Hill. „Dokonca som priniesol jednu z týchto detských hračiek – Spirograph – aby som sa pohral s tým, ako to bude vyzerať a ako sa všetko nakoniec spojí. Trvalo veľa natáčania a hrania sa s grafikou, keď sme si lámali hlavu nad tým, čo sa mohlo stať skôr, než by sa ukázalo, ako to všetko do seba zapadá.“ .

Výsledky vôbec neboli také, aké výskumníci očakávali, že nájdu.

„Myslíme si, že ide o nový dizajn nervového systému založený na končatinách,“ povedal Hill. „Nič také sme u iných zvierat nevideli.“

Výskumníci zatiaľ nevedia, akú funkciu by tento anatomický dizajn mohol slúžiť, ale majú nejaké nápady.

„Niektoré staršie výskumné články zdieľali zaujímavé poznatky, “ povedal Hill. Jedna štúdia z 50. rokov minulého storočia ukázala, že keď manipulujete s ramenom na jednej strane chobotnice s poškodenými oblasťami mozgu, uvidíte, ako paže reagujú na druhej strane. Preto tieto nervy môžu umožniť decentralizovanú kontrolu reflexnej reakcie alebo správania. Vidíme však aj to, že vlákna vystupujú z nervových povrazov do svalov pozdĺž ich ciest, takže môžu tiež umožniť kontinuitu alergických reakcií a kontrolu motora pozdĺž ich dĺžok. „

Tím v súčasnosti vykonáva experimenty, aby zistil, či môžu získať prehľad o tejto otázke analýzou fyziológie a jedinečného mapovania INC. Študujú aj nervový systém iných hlavonožcov vrátane sépie a sépie, aby zistili, či zdieľajú podobnú anatómiu.

Nakoniec Hill verí, že okrem objasnenia neočakávaných spôsobov, ako môžu druhy bezstavovcov navrhnúť nervový systém, pochopenie týchto systémov by mohlo pomôcť pri vývoji nových inžinierskych technológií, ako je robotika.

„Chobotnice by mohli byť biologickou inšpiráciou pre dizajn autonómnych zariadení pod morom,“ povedal Hill. „Myslite na ich ruky – môžu sa ohýbať kdekoľvek, nielen v kĺboch. Môžu krútiť a naťahovať ruky a ovládať prísavky, a to všetko nezávisle. Funkcia ramena chobotnice je oveľa zložitejšia ako naša, takže pochopte, ako sa chobotnice integrujú senzomotorické informácie a riadenie ich pohybu môže podporiť vývoj nových technológií.“

Odkaz: „Viaceré nervové šnúry spájajú ramená chobotníc a poskytujú alternatívne cesty pre signalizáciu medzi ramenami“ Autori Adam Koospalo, Samantha Cuddy a Melina E. Hill, 28. novembra 2022, dostupné tu. Súčasná biológia.
DOI: 10.1016/j.cub.2022.11.007

Štúdiu financoval Úrad námorného výskumu Spojených štátov amerických.