Vědci objevili „zcela nový způsob, jak navrhnout nervový systém“

Chobotnice nejsou jako lidé – jsou to bezobratlí s osmi rameny a blízce příbuzní škeblem a hlemýžďům. Navzdory tomu si vyvinuli složité nervové systémy s tolika neurony jako psí mozky, což jim umožnilo projevovat širokou škálu komplexních chování.

Díky tomu je zajímavým tématem pro výzkumníky, jako jsou Melina Hill, Ph.D., William Rennie Harper, profesor biologie organismů a univerzitní vicekancléř na University of Chicagokteří chtějí pochopit, jak mohou alternativní struktury nervového systému vykonávat stejné funkce jako ty u lidí, jako je snímání pohybu končetin a ovládání pohybu.

V nedávné studii publikované v Současná biologiePoté Hill a její kolegové objevili překvapivou novou vlastnost nervového systému chobotnice: strukturu, která umožňuje neuromuskulárním provazcům (INC), které pomáhají chobotnici vnímat pohyb paží, připojit se k pažím na obou stranách zvířete.

Překvapivý objev poskytuje nový pohled na to, jak se bezobratlé druhy nezávisle vyvinuly složité neuronální druhy. Mohlo by to také poskytnout inspiraci pro robotické inženýrství, jako jsou nová autonomní podvodní zařízení.

Horizontální řez na základně ramen (označený A) ukazující konvergenci a průnik orálních INC (označených O). Kredit: Kuuspalu et al. , Současná biologie2022

„V mé laboratoři studujeme mechanosenzaci a propriocepci – jak jsou vnímány pohyby a pozice končetin,“ řekl Hill. „Tyto INC byly dlouho považovány za senzorické, takže byly zajímavým cílem, který pomohl odpovědět na druhy otázek, které si naše laboratoř klade. Dodnes na nich nebylo mnoho práce, ale předchozí experimenty ukázaly, že jsou důležité pro ovládání paží.“

Díky podpoře výzkumu hlavonožců, kterou poskytla Marine Biological Laboratory, mohla Hill a její tým pro studii použít mláďata chobotnic, která byla dostatečně malá, aby umožnila vědcům zobrazit základnu osmi ramen najednou. To týmu umožňuje sledovat INC přes tkáň a určit jejich trajektorii.

„Tyto chobotnice byly velké asi jako nikl nebo možná čtvrtina, takže šlo o proces lepení vzorků správným směrem a získání správného úhlu při krájení. [for imaging]řekl Adam Koospalo, vedoucí výzkumný analytik společnosti UChicago a hlavní autor studie.

Zpočátku tým studoval větší axonální nervové provazce v pažích, ale začali si všímat, že INC se nezastavily u kořene paže, ale spíše pokračovaly ven z paže do těla zvířete. Uvědomili si, že při zkoumání anatomie INC bylo vykonáno jen málo práce, začali sledovat nervy a očekávali, že v těle chobotnice vytvoří smyčku, podobnou axonálním nervovým provazcům.

Prostřednictvím zobrazování tým zjistil, že kromě délky každého ramene zasahují alespoň dva ze čtyř válců do těla chobotnice, kde obcházejí sousední ramena a spojují se s INC třetího ramene. Tento vzor znamená, že všechna ramena jsou spojena symetricky.

Bylo však těžké říci, jak vzor obstojí ve všech osmi ramenech. „Během natáčení jsme si uvědomili, že se všichni nesešli, jak jsme očekávali, zdálo se, že všichni jdou různými směry, a my jsme se snažili zjistit, jak pokud je vzor konzistentní pro všechny paže, jak to práce?“ řekl Hill. „Dokonce jsem si přinesl jednu z těchto dětských hraček – Spirograph – abych si pohrál s tím, jak to bude vypadat a jak se vše nakonec spojí. Stálo to spoustu natáčení a hraní si s grafikou, když jsme si lámali hlavu nad tím, co se mohlo stát, než by se ukázalo, jak to všechno do sebe zapadá.“ .

Výsledky vůbec nebyly takové, jaké výzkumníci očekávali.

„Myslíme si, že se jedná o nový návrh nervového systému založený na končetinách,“ řekl Hill. „Nic takového jsme u jiných zvířat neviděli.“

Vědci zatím nevědí, jakou funkci by tento anatomický design mohl sloužit, ale mají určité nápady.

„Některé ze starších výzkumných prací se podělily o zajímavé poznatky,“ řekl Hill. Jedna studie z 50. let minulého století ukázala, že když manipulujete s paží na jedné straně chobotnice s poškozenými oblastmi mozku, uvidíte, jak paže reagují na druhé straně. Tyto nervy by proto mohly umožnit decentralizované řízení reflexní reakce nebo chování. Vidíme však také, že vlákna vystupují z nervových provazců do svalů podél jejich cest, takže mohou také umožnit kontinuitu alergických reakcí a kontrolu motoriky po jejich délce. „

Tým v současné době provádí experimenty, aby zjistil, zda mohou získat náhled na tuto otázku analýzou fyziologie a jedinečného mapování INC. Studují také nervový systém jiných hlavonožců, včetně sépie a sépie, aby zjistili, zda sdílejí podobnou anatomii.

Nakonec Hill věří, že kromě vrhání světla na neočekávané způsoby, jak mohou druhy bezobratlých navrhnout nervový systém, může pochopení těchto systémů pomoci vyvinout nové inženýrské technologie, jako je robotika.

„Chobotnice by mohly být biologickou inspirací pro návrh autonomních zařízení pod mořem,“ řekl Hill. „Přemýšlejte o jejich pažích – mohou se ohýbat kdekoli, nejen v kloubech. Mohou kroutit a natahovat ruce a ovládat své přísavky, to vše nezávisle. Funkce paže chobotnice je mnohem složitější než ta naše, takže pochopíme, jak se chobotnice integrují senzomotorické informace a ovládání jejich pohybu může podpořit vývoj nových technologií.“

Reference: „Vícenásobné nervové provazce spojují paže chobotnic a poskytují alternativní cesty pro signalizaci mezi pažemi“ Autor: Adam Koospalo, Samantha Cuddyová a Melina E. Hillová, 28. listopadu 2022, dostupné zde. Současná biologie.
DOI: 10.1016/j.cub.2022.11.007

Studie byla financována Úřadem pro námořní výzkum Spojených států amerických.