Aštuonkojai nepanašūs į žmones – jie yra bestuburiai, turintys aštuonias rankas ir glaudžiai susiję su moliuskais ir sraigėmis. Nepaisant to, jie sukūrė sudėtingas nervų sistemas, turinčias tiek neuronų, kiek ir šunų smegenyse, o tai leido jiems parodyti daugybę sudėtingų elgsenų.

Dėl to tai yra įdomi tema tokiems mokslininkams kaip mokslų daktarė Melina Hill, organizmų biologijos profesorius William Rennie Harper ir universiteto vicekancleris. Čikagos universitetaskurie nori suprasti, kaip alternatyvios nervų sistemos struktūros gali atlikti tokias pačias funkcijas kaip ir žmonių, pavyzdžiui, jausti galūnių judesius ir kontroliuoti judesius.

Neseniai paskelbtame tyrime Dabartinė biologijaTada Hill ir jos kolegos atrado stebinantį naują aštuonkojo nervų sistemos bruožą: struktūrą, leidžiančią nervų ir raumenų virvelėms (INC), padedančioms aštuonkojui pajusti rankos judėjimą, prisijungti prie rankų abiejose gyvūno pusėse.

Stulbinantis atradimas suteikia naujų įžvalgų apie tai, kaip bestuburių rūšys nepriklausomai sukūrė sudėtingas neuronų rūšis. Tai taip pat galėtų įkvėpti robotų inžineriją, pavyzdžiui, naujus autonominius povandeninius įrenginius.

Horizontalus pjūvis žastų apačioje (pažymėtas A), rodantis žodinių INC konvergenciją ir susikirtimą (pažymėtas O). Kreditas: Kuuspalu ir kt. , Dabartinė biologija2022 m

„Mano laboratorijoje tiriame mechanosensaciją ir propriocepciją – kaip jaučiamas galūnių judėjimas ir padėtis“, – sakė Hill. „Ilgą laiką buvo manoma, kad šie INC yra jutiminiai, todėl jie buvo įdomus tikslas, padedantis atsakyti į tokius klausimus, kuriuos užduoda mūsų laboratorija. Iki šiol su jais nebuvo atlikta daug darbo, tačiau ankstesni eksperimentai parodė, kad jie yra svarbu valdyti rankas“.

Dėka Jūrų biologinės laboratorijos teikiamos pagalbos galvakojų tyrimams, Hill ir jos komanda tyrime galėjo naudoti aštuonkojų jauniklius, kurie buvo pakankamai maži, kad tyrėjams būtų galima atvaizduoti aštuonių rankų pagrindą vienu metu. Tai leidžia komandai stebėti INC per audinį, kad nustatytų jų trajektoriją.

„Šie aštuonkojai buvo maždaug nikelio, o gal ketvirčio dydžio, todėl tai buvo procesas, kai bandiniai buvo klijuojami tinkama kryptimi ir pjaustant gaunamas tinkamas kampas. [for imaging]sakė Adamas Koospalo, UChicago vyresnysis tyrimų analitikas ir pagrindinis tyrimo autorius.

Iš pradžių komanda tyrinėjo didesnes aksonines nervų virveles rankose, tačiau jie pradėjo pastebėti, kad INC nesustojo ties rankos pagrindu, o tęsiasi iš rankos į gyvūno kūną. Suprasdami, kad INC anatomija buvo atlikta mažai, jie pradėjo sekti nervus, tikėdamiesi, kad aštuonkojo kūne jie sudarys kilpą, panašią į aksonines nervų virveles.

Atlikdama vaizdą, komanda nustatė, kad be kiekvienos rankos ilgio, mažiausiai du iš keturių cilindrų tęsiasi į aštuonkojo kūną, kur jie apeina gretimas rankas ir susilieja su trečiosios rankos INC. Šis modelis reiškia, kad visos rankos yra sujungtos simetriškai.

Tačiau buvo sunku pasakyti, kaip modelis išsilaikys visose aštuoniose rankose. „Filmuodami supratome, kad jie ne visi susibūrė taip, kaip tikėjomės, atrodė, kad jie eina skirtingomis kryptimis, ir mes bandėme išsiaiškinti, kaip tai padaryti, jei modelis yra vienodas visoms rankoms. dirbti?” Hill sakė. „Aš net atsinešiau vieną iš šių vaikiškų žaislų – Spirografą – kad pažaisčiau, kaip jis atrodys ir kaip viskas galiausiai susijungs. Reikėjo daug filmuoti ir žaisti su grafika, kol galvojome, ką. galėjo įvykti anksčiau, nei paaiškėjo, kaip visa tai dera“.

Rezultatai visai nebuvo tokie, kokių tikėjosi tyrėjai.

„Manome, kad tai yra naujas galūnių nervų sistemos dizainas”, – sakė Hill. – Nieko panašaus nematėme pas kitus gyvūnus.

Tyrėjai dar nežino, kokią funkciją gali atlikti šis anatominis dizainas, tačiau jie turi tam tikrų idėjų.

„Kai kurie senesni moksliniai darbai pasidalijo įdomiomis įžvalgomis“, – sakė Hill. Vienas šeštojo dešimtmečio tyrimas parodė, kad kai manipuliuosite ranka vienoje aštuonkojo pusėje su pažeistomis smegenų sritimis, pamatysite, kaip rankos reaguoja kitoje pusėje. Todėl šie nervai gali leisti decentralizuotai kontroliuoti refleksinį atsaką ar elgesį. Tačiau taip pat matome, kad skaidulos iš nervinių virvelių patenka į raumenis išilgai jų takų, todėl jos taip pat gali užtikrinti alerginių reakcijų tęstinumą ir motorinę kontrolę per visą jų ilgį. “

Šiuo metu komanda atlieka eksperimentus, siekdama išsiaiškinti, ar jie gali gauti įžvalgų apie šį klausimą, analizuodami INC fiziologiją ir unikalų žemėlapių sudarymą. Jie taip pat tiria kitų galvakojų, įskaitant sepijas ir sepijas, nervų sistemą, kad sužinotų, ar jų anatomija yra panaši.

Galiausiai Hillas mano, kad ne tik nušviečia netikėtus būdus, kaip bestuburių rūšys gali sukurti nervų sistemą, bet ir šių sistemų supratimas gali padėti kurti naujas inžinerines technologijas, tokias kaip robotika.

„Aštuonkojai galėtų būti biologinis įkvėpimas kuriant autonominius įrenginius po jūra“, – sakė Hill. „Pagalvokite apie jų rankas – jie gali sulenkti bet kur, ne tik sąnariuose. Jie gali pasukti ir ištiesti rankas bei valdyti čiulptukus – visa tai nepriklausomai. Aštuonkojo rankos funkcija yra daug sudėtingesnė nei mūsų, todėl reikia suprasti, kaip aštuonkojai integruojasi. Sensomotorinė informacija ir jų valdymas Judėjimas gali padėti kurti naujas technologijas.

Nuoroda: „Kelios nervų virvelės jungia aštuonkojų rankas, suteikdamos alternatyvius signalų perdavimo būdus tarp rankų“ Adamas Koospalo, Samantha Cuddy ir Melina E. Hill, 2022 m. lapkričio 28 d., pasiekiama čia. Dabartinė biologija.
DOI: 10.1016/j.cub.2022.11.007

Tyrimą finansavo Jungtinių Valstijų karinio jūrų laivyno tyrimų biuras.