Ученые открыли «совершенно новый способ конструирования нервной системы»

Осьминоги не похожи на людей — это беспозвоночные с восемью руками и тесно связаны с моллюсками и улитками. Несмотря на это, у них развилась сложная нервная система с таким же количеством нейронов, как и в собачьем мозгу, что позволило им демонстрировать широкий спектр сложного 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 движения конечностей и контролировать движения.

В недавнем исследовании, опубликованном в Текущая биологияЗатем Хилл и ее коллеги обнаружили удивительную новую особенность нервной системы осьминога: структуру, которая позволяет нервно-мышечным тяжам (INC), которые помогают осьминогу чувствовать движение его рук, соединяться с руками по обе стороны от животного.

Поразительное открытие дает новое представление о том, как виды беспозвоночных независимо развили сложные виды нейронов. Это также может послужить источником вдохновения для робототехники, такой как новые автономные подводные устройства.

Горизонтальный срез у основания рук (обозначен А), показывающий схождение и пересечение оральных INC (обозначен О). Предоставлено: Kuuspalu et al. , Текущая биология2022 г.

«В моей лаборатории мы изучаем механоощущение и проприоцепцию — то, как воспринимаются движения и положение конечностей», — сказал Хилл. «Долгое время считалось, что эти INC являются сенсорными, поэтому они были интересной мишенью, чтобы помочь ответить на вопросы, которые задает наша лаборатория. На сегодняшний день над ними было проделано не так много работы, но предыдущие эксперименты показали, что они важно для контроля над руками».

Благодаря поддержке исследования головоногих, предоставленной Морской биологической лабораторией, Хилл и ее команда смогли использовать для исследования детенышей осьминогов, которые были достаточно малы, чтобы исследователи могли одновременно визуализировать основание восьми рук. Это позволяет команде отслеживать INC через ткани, чтобы определить их траекторию.

«Эти осьминоги были размером с пятицентовую монету или, может быть, с четвертак, так что это был процесс склеивания образцов в правильном направлении и получение правильного угла при нарезке. [for imaging]сказал Адам Коспало, старший аналитик UChicago и ведущий автор исследования.

Первоначально команда изучала более крупные аксональные нервные тяжи на руках, но они начали замечать, что INC не останавливаются у основания руки, а скорее продолжаются из руки в тело животного. Понимая, что было проделано мало работы по изучению анатомии INC, они начали отслеживать нервы, ожидая, что они образуют петлю в теле осьминога, похожую на аксональные нервные шнуры.

С помощью визуализации команда определила, что в дополнение к длине каждой руки по крайней мере два из четырех цилиндров проникают в тело осьминога, где они обходят соседние руки и сливаются с INC третьей руки. Этот узор означает, что все руки соединены симметрично.

Тем не менее, было трудно сказать, как шаблон будет держаться на всех восьми плечах. «Во время съемок мы поняли, что они не все собираются вместе, как мы ожидали, все они, казалось, двигались в разных направлениях, и мы пытались выяснить, как, если схема одинакова для всех рук, как она работай?» — сказал Хилл. «Я даже принес одну из этих детских игрушек — спирограф — чтобы поиграть с тем, как он будет выглядеть и как все будет соединяться в конце. Нам потребовалось много съемок и игр с графикой, пока мы ломали голову над тем, что могло произойти до того, как стало ясно, как все это сочетается».

Результаты оказались совсем не такими, как ожидали исследователи.

«Мы думаем, что это новая конструкция нервной системы на основе конечностей», — сказал Хилл. «Мы не видели ничего подобного у других животных».

Исследователи еще не знают, какую функцию может выполнять этот анатомический дизайн, но у них есть некоторые идеи.

«Некоторые из 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 поврежденными областями мозга, вы увидите, как руки реагируют с другой стороны. Следовательно, эти нервы могут обеспечить децентрализованный контроль над рефлекторной реакцией или поведением. Однако мы также видим, что волокна выходят из нервных тяжей в мышцы вдоль их трактов, поэтому они также могут обеспечивать непрерывность аллергических реакций и двигательный контроль по их длине. «

В настоящее время команда проводит эксперименты, чтобы выяснить, смогут ли они разобраться в этом вопросе, анализируя физиологию и уникальное картирование INC. Они также изучают нервную систему других головоногих, в том числе каракатиц и каракатиц, чтобы выяснить, имеют ли они схожую анатомию.

В конечном счете, Хилл считает, что в дополнение к прояснению неожиданных способов, которыми виды беспозвоночных могут создавать нервную систему, 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, а не только в суставах. Они могут скручивать и разгибать руки и управлять своими присосками, и все это независимо. Функция руки осьминога намного сложнее, чем у нас, поэтому понимание того, как осьминоги интегрируются сенсомоторная информация и контроль их движения могут способствовать развитию новых технологий».

Ссылка: «Множество нервных тяжей соединяют руки осьминогов, 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

Исследование финансировалось Управлением военно-морских исследований США.