Naukowcy odkrywają „całkowicie nowy sposób projektowania układu nerwowego”

To przełomowe odkrycie zapewnia nowy wgląd w ewolucję złożonych układów nerwowych gatunków bezkręgowców i może zainspirować rozwój autonomicznych urządzeń podwodnych i innych innowacji w inżynierii robotyki.

Ośmiornice nie są jak ludzie – to bezkręgowce z ośmioma ramionami i blisko spokrewnione z małżami i ślimakami. Mimo to wyewoluowały złożone układy nerwowe z taką samą liczbą neuronów, jak mózgi psów, co pozwoliło im wykazywać szeroki zakres złożonych zachowań.

To sprawia, że ​​jest to interesujący temat dla badaczy, takich jak dr Melina Hill, profesor biologii organizmów William Rennie Harper i prorektor uniwersytetu w Uniwersytet Chicagowskiktórzy chcą zrozumieć, w jaki sposób alternatywne struktury układu nerwowego mogą pełnić te same funkcje, co ludzkie, takie jak wykrywanie ruchu kończyn i kontrolowanie ruchu.

W niedawnym badaniu opublikowanym w Bieżąca biologiaNastępnie Hill i jej współpracownicy odkryli zaskakującą nową cechę układu nerwowego ośmiornicy: strukturę, która pozwala przewodom nerwowo-mięśniowym (INC), które pomagają ośmiornicy wyczuć ruch ramienia, połączyć się z ramionami po obu stronach zwierzęcia.

Zaskakujące odkrycie dostarcza nowych informacji na temat tego, jak gatunki bezkręgowców niezależnie wyewoluowały złożone gatunki neuronów. Może również stanowić inspirację dla inżynierii robotycznej, takiej jak nowe autonomiczne urządzenia podwodne.

Poziomy przekrój u podstawy ramion (oznaczony jako A) przedstawiający zbieżność i przecięcie ustnych INC (oznaczonych jako O). Źródło: Kuuspalu i in. , Bieżąca biologia2022

„W moim laboratorium badamy mechanosensację i propriocepcję – jak wykrywany jest ruch i pozycja kończyny” – powiedział Hill. „Te INC od dawna uważano za czuciowe, więc były interesującym celem, aby pomóc odpowiedzieć na pytania zadawane przez nasze laboratorium. Do tej pory nie wykonano nad nimi zbyt wiele pracy, ale poprzednie eksperymenty wykazały, że są ważne dla kontroli ramion”.

Dzięki wsparciu badawczemu głowonogów zapewnionemu przez Marine Biological Laboratory, Hill i jej zespół byli w stanie wykorzystać do badań młode ośmiornice, które były wystarczająco małe, aby umożliwić naukowcom zobrazowanie podstawy ośmiu ramion jednocześnie. Pozwala to zespołowi śledzić INC w tkance, aby określić ich trajektorię.

„Te ośmiornice były wielkości pięciocentówki lub jednej czwartej, więc był to proces sklejania okazów we właściwym kierunku i uzyskiwania odpowiedniego kąta podczas krojenia [for imaging]powiedział Adam Koospalo, starszy analityk w UChicago i główny autor badania.

Początkowo zespół badał większe nerwy aksonalne w ramionach, ale zaczął zauważać, że INC nie zatrzymywały się u podstawy ramienia, ale raczej wychodziły z ramienia do ciała zwierzęcia. Zdając sobie sprawę, że wykonano niewiele pracy nad badaniem anatomii INC, zaczęli śledzić nerwy, spodziewając się, że utworzą pętlę w ciele ośmiornicy, podobną do aksonalnych sznurów nerwowych.

Dzięki obrazowaniu zespół ustalił, że oprócz długości każdego ramienia, co najmniej dwa z czterech cylindrów sięgają do ciała ośmiornicy, gdzie omijają sąsiednie ramiona i łączą się z INC trzeciego ramienia. Ten wzór oznacza, że ​​wszystkie ramiona są połączone symetrycznie.

Jednak trudno było powiedzieć, jak wzór utrzymałby się na wszystkich ośmiu ramionach. „Kiedy kręciliśmy, zdaliśmy sobie sprawę, że nie wszystkie zbliżają się tak, jak się spodziewaliśmy, wszystkie wydawały się iść w różnych kierunkach, a my próbowaliśmy dowiedzieć się, w jaki sposób, jeśli wzór jest spójny dla wszystkich ramion, w jaki sposób praca?” Hill powiedział. „Przyniosłem nawet jedną z zabawek tych dzieci — spirograf — aby poeksperymentować z jego wyglądem i ostatecznym połączeniem wszystkiego. Dużo filmowaliśmy i bawiliśmy się grafiką, kiedy zastanawialiśmy się, co mogło się wydarzyć, zanim stało się jasne, jak to wszystko do siebie pasuje”.

Wyniki wcale nie były tym, czego spodziewali się naukowcy.

„Uważamy, że jest to nowatorski projekt układu nerwowego opartego na kończynach” – powiedział Hill. „Nie widzieliśmy czegoś takiego u innych zwierząt”.

Naukowcy nie wiedzą jeszcze, jaką funkcję może pełnić ten anatomiczny projekt, ale mają pewne pomysły.

„Niektóre ze starszych prac badawczych podzieliły się interesującymi spostrzeżeniami” – powiedział Hill. Jedno z badań z lat pięćdziesiątych XX wieku wykazało, że kiedy manipulujesz ramieniem po jednej stronie ośmiornicy z uszkodzonymi obszarami mózgu, zobaczysz, że ramiona reagują po drugiej stronie. Dlatego te nerwy mogą pozwolić na zdecentralizowaną kontrolę odpowiedzi odruchowej lub zachowania. Widzimy jednak również, że włókna wychodzą z przewodów nerwowych do mięśni wzdłuż ich dróg, więc mogą również umożliwiać ciągłość reakcji alergicznych i kontrolę motoryczną na całej ich długości. „

Zespół prowadzi obecnie eksperymenty, aby sprawdzić, czy mogą uzyskać wgląd w to pytanie, analizując fizjologię i unikalne mapowanie INC. Badają również układ nerwowy innych głowonogów, w tym mątwy i mątwy, aby sprawdzić, czy mają podobną anatomię.

Ostatecznie Hill uważa, że ​​oprócz rzucenia światła na nieoczekiwane sposoby, w jakie gatunki bezkręgowców mogą projektować układ nerwowy, zrozumienie tych systemów może pomóc w opracowaniu nowych technologii inżynieryjnych, takich jak robotyka.

„Ośmiornice mogą być biologiczną inspiracją do projektowania autonomicznych urządzeń pod wodą” – powiedział Hill. „Pomyśl o ich ramionach – mogą zginać się w dowolnym miejscu, nie tylko w stawach. Mogą skręcać i rozciągać ramiona oraz obsługiwać przyssawki, wszystko niezależnie. Funkcja ramienia ośmiornicy jest znacznie bardziej złożona niż nasza, więc zrozumienie, w jaki sposób ośmiornice się integrują Informacja sensomotoryczna i kontrola ich Ruchu mogą wspierać rozwój nowych technologii”.

Odniesienie: „Wiele sznurów nerwowych łączy ramiona ośmiornic, zapewniając alternatywne ścieżki sygnalizacji między ramionami” Adam Koospalo, Samantha Cuddy i Melina E. Hill, 28 listopada 2022 r., dostępne tutaj. Bieżąca biologia.
DOI: 10.1016/j.cub.2022.11.007

Badanie zostało sfinansowane przez Biuro Badań Marynarki Wojennej Stanów Zjednoczonych.