Научници откривају „потпуно нови начин дизајнирања нервног система“

Хоботнице нису попут људи – оне су бескичмењаци са осам кракова и блиско су повезани са шкољкама и пужевима. Упркос томе, они су развили сложене нервне системе са исто толико неурона колико и псећи мозак, што им је омогућило да покажу широк спектар сложених понашања.

То га чини занимљивом темом за истраживаче као што су др Мелина Хил, професор биологије организама Вилијам Рени Харпер и проректор Универзитета у Универзитет у Чикагукоји желе да схвате како алтернативне структуре нервног система могу да обављају исте функције као оне код људи, као што су осећај покрета удова и контрола покрета.

У недавној студији објављеној у Цуррент БиологиЗатим су Хил и њене колеге откриле изненађујућу нову карактеристику нервног система хоботнице: структуру која омогућава да се неуромишићне врпце (ИНЦ), које помажу хоботници да осети кретање руку, повежу са рукама са обе стране животиње.

Запањујуће откриће пружа нове увиде у то како су бескичмењаци независно еволуирали сложене неуронске врсте. Такође би могао да пружи инспирацију за роботско инжењерство, као што су нови аутономни подводни уређаји.

Хоризонтални пресек на дну кракова (означен А) који показује конвергенцију и пресек оралних ИНЦ-а (обележено О). Заслуге: Кууспалу ет ал. , Цуррент Биологи2022

„У мојој лабораторији проучавамо механосензацију и проприоцепцију – како се осећају покрети и положај удова“, рекао је Хил. „Дуго се сматрало да су ови ИНЦ сензорни, тако да су били интересантна мета за одговоре на питања која наша лабораторија поставља. До данас није много посла урађено на њима, али претходни експерименти су показали да су важно за контролу руку.”

Захваљујући подршци за истраживање главоножаца коју је пружила Морска биолошка лабораторија, Хил и њен тим су били у могућности да користе бебе хоботнице за студију, које су биле довољно мале да би омогућиле истраживачима да сниме базу осам кракова одједном. Ово омогућава тиму да прати ИНЦ-ове кроз ткиво како би одредио њихову путању.

„Ове хоботнице су биле величине око пет центи или можда четвртине, тако да је то био процес лепљења примерака у правом смеру и добијања правог угла приликом сечења [for imaging]рекао је Адам Кооспало, виши истраживачки аналитичар у Чикагу и главни аутор студије.

У почетку, тим је проучавао веће аксоналне нервне жиле у рукама, али су почели да примећују да се ИНЦ-и не заустављају на дну руке, већ се настављају ван руке у тело животиње. Схвативши да је мало посла урађено на истраживању анатомије ИНЦ-а, почели су да прате нерве, очекујући да формирају петљу у телу хоботнице, сличну аксоналним нервним врпцама.

Снимањем, тим је утврдио да поред кретања дужином сваке руке, најмање два од четири цилиндра се протежу у тело хоботнице, где заобилазе суседне руке и спајају се са ИНЦ-ом треће руке. Овај образац значи да су све руке повезане симетрично.

Међутим, било је тешко рећи како ће се шара задржати на свих осам кракова. „Док смо снимали, схватили смо да нису сви заједно као што смо очекивали, чинило се да сви иду у различитим правцима, и покушавали смо да схватимо како ако је образац конзистентан за све руке, како то посао?“ рекао је Хилл. „Чак сам понео једну од ових дечијих играчака – Спирограпх – да се поиграм како ће изгледати и како ће се све на крају повезати. Било је потребно доста снимања и играња графике док смо мучили мозак могло да се деси пре него што постане јасно како се све то уклапа.” .

Резултати уопште нису били оно што су истраживачи очекивали да ће пронаћи.

„Мислимо да је ово нови дизајн нервног система заснован на удовима“, рекао је Хил. „Нисмо видели ништа слично код других животиња.

Истраживачи још не знају којој функцији би овај анатомски дизајн могао да служи, али имају неке идеје.

„Неки од старијих истраживачких радова су поделили занимљиве увиде“, рекао је Хил. Једна студија из 1950-их показала је да када манипулишете руком на једној страни хоботнице са оштећеним регионима мозга, видећете како руке реагују на другој страни. Стога ови нерви могу омогућити децентрализовану контролу рефлексивног одговора или понашања. Међутим, такође видимо да влакна излазе из нервних жица у мишиће дуж њихових путева, тако да такође могу омогућити континуитет алергијских реакција и контролу мотора дуж њихове дужине. „

Тим тренутно спроводи експерименте да види да ли могу да стекну увид у ово питање анализом физиологије и јединственог мапирања ИНЦ-а. Они такође проучавају нервни систем других главоножаца, укључујући сипе и сипе, да виде да ли деле сличну анатомију.

На крају, Хил верује да поред расветљавања неочекиваних начина на који врсте бескичмењака могу да дизајнирају нервни систем, разумевање ових система може помоћи у развоју нових инжењерских технологија, као што је роботика.

„Хоботнице би могле бити биолошка инспирација за дизајн аутономних уређаја под морем“, рекао је Хил. „Помислите на њихове руке – оне могу да се савијају било где, не само у зглобовима. Могу да увијају и испруже руке и управљају својим сисавцима, све независно. Функција руке хоботнице је много сложенија од наше, тако да разумете како се хоботнице интегришу сензомоторне информације и контрола њиховог покрета могу подржати развој нових технологија“.

Референца: „Више нервних каблова повезује кракове хоботница, обезбеђујући алтернативне путеве за сигнализацију између руку“ Аутори Адам Кооспало, Самантха Цудди и Мелина Е. Хилл, 28. новембар 2022, доступно овде. Цуррент Биологи.
ДОИ: 10.1016/ј.цуб.2022.11.007

Студију је финансирала Канцеларија за поморска истраживања Сједињених Држава.