Oamenii de știință descoperă „o modalitate cu totul nouă de a proiecta un sistem nervos”

Această descoperire revoluționară oferă noi perspective asupra evoluției sistemelor nervoase complexe la speciile de nevertebrate și are potențialul de a inspira dezvoltarea dispozitivelor subacvatice autonome și alte inovații în inginerie robotică.

Caracatițele nu sunt ca oamenii – sunt nevertebrate cu opt brațe și sunt mai strâns legate de scoici și melci. În ciuda acestui fapt, ei au evoluat sisteme nervoase complexe cu la fel de mulți neuroni ca în creierul câinilor, permițându-le să prezinte o gamă largă de comportamente complexe.

Acest lucru îl face un subiect interesant pentru cercetători precum Melina Hale, Ph.D., William Rainey Harper profesor de biologie organică și viceprovost la Universitatea din Chicago, care doresc să înțeleagă cum structurile alternative ale sistemului nervos pot îndeplini aceleași funcții ca și oameni, cum ar fi detectarea mișcării membrelor și controlul mișcării.

Într-un studiu recent publicat în Biologie actualăHale și colegii săi au descoperit o nouă trăsătură surprinzătoare a sistemului nervos de caracatiță: o structură care permite cordurilor nervoase intramusculare (INC), care ajută caracatița să simtă mișcarea brațelor, să conecteze brațele din părțile opuse ale corpului. animal.

Această descoperire surprinzătoare oferă noi perspective asupra modului în care speciile de nevertebrate au dezvoltat în mod independent sisteme nervoase complexe. De asemenea, poate inspira inginerie robotică, cum ar fi noi dispozitive subacvatice autonome.

Caracatița INCs Cruce în corpul animalului

O felie orizontală la baza brațelor (etichetată A) care arată INC orale (etichetate O) care converg și se încrucișează. Credit: Kuuspalu et al., Biologie actuală2022

„În laboratorul meu, studiem mecanosenzația și propriocepția – cum se simte mișcarea și poziționarea membrelor”, a spus Hale. „S-a considerat de mult timp că aceste INC-uri sunt proprioceptive, așa că au fost o țintă interesantă pentru a ajuta la răspunsul la tipurile de întrebări pe care le pune laboratorul nostru. Până acum, nu s-a lucrat prea mult cu ele, dar studiile experimentale au indicat că sunt important pentru controlul brațelor.

Datorită sprijinului pentru cercetarea cefalopodelor din partea Laboratorului de Biologie Marină, Hale și echipa sa au reușit să folosească caracatițe tinere pentru studiu, care erau suficient de mici pentru a permite cercetătorilor să imagineze baza celor opt brațe la acea vreme. Acest lucru a permis echipei să urmărească INC-urile prin țesătură pentru a le determina calea.

„Aceste caracatițe aveau aproximativ dimensiunea unui nichel sau poate un sfert, așa că a fost un proces de fixare a exemplarelor în orientarea corectă și de a obține unghiul potrivit în timpul tăierii. [for imaging]a spus Adam Kuuspalu, analist senior de cercetare la UChicago și autorul principal al studiului.

Inițial, echipa a studiat cordoanele nervoase axiale mai mari din brațe, dar a început să observe că INC nu s-au oprit la baza brațului, ci au continuat mai degrabă în afara brațului și în corpul animalului. Dându-și seama că s-a făcut puțină muncă pentru a explora anatomia INC-urilor, ei au început să urmărească nervii, așteptându-se să formeze un inel în corpul caracatiței, asemănător cu cordoanele nervoase axiale.

Prin intermediul imagisticii, echipa a stabilit că, pe lângă lungimea fiecărui braț, cel puțin două dintre cele patru INC se extind în corpul caracatiței, unde ocolesc cele două brațe adiacente și se contopesc cu caracatița. „INC al celui de-al treilea braț. Acest model înseamnă că toate brațele sunt conectate simetric.

A fost dificil, totuși, să se stabilească cum se va potrivi modelul în cele opt brațe. „Așa cum ne-am imaginat, ne-am dat seama că nu se adună toate așa cum ne așteptam, toate păreau să meargă în direcții diferite și încercam să ne dăm seama cum, dacă modelul ar fi valabil pentru toate brațele, cum ar fi asta ar putea merge?” spuse Hale. „Am scos chiar și una dintre acele jucării pentru copii – un Spirograf – pentru a mă juca cu cum ar arăta, cum se va conecta toate în cele din urmă. A fost nevoie de multă imagine și de a ne juca cu desene pe măsură ce ne-am întâlnit. în ceea ce s-ar putea întâmpla înainte să ne dăm seama cum se potrivește totul.

Rezultatele nu au fost deloc ceea ce cercetătorii sperau să găsească.

„Credem că acesta este un nou design pentru un sistem nervos bazat pe membre”, a spus Hale. „Nu am văzut așa ceva la alte animale”.

Cercetătorii nu știu încă la ce ar putea fi folosit acest design anatomic, dar au câteva idei.

„Unele ziare mai vechi au împărtășit câteva informații interesante”, a spus Hale. „Un studiu din anii 1950 a arătat că atunci când manipulezi un braț pe o parte a caracatiței cu zone ale creierului deteriorate, vei vedea că brațele reacţionează pe cealaltă parte. Prin urmare, s-ar putea ca acești nervi să permită controlul descentralizat al unui răspuns sau comportament reflexiv. Acestea fiind spuse, vedem, de asemenea, că fibrele ies din cordoanele nervoase în mușchi pe tot parcursul căilor lor, astfel încât ar putea permite, de asemenea, continuitatea feedback-ului proprioceptiv și controlul motor pe toată lungimea lor.

Echipa efectuează în prezent experimente pentru a vedea dacă pot înțelege mai bine această întrebare analizând fiziologia INC-urilor și aranjamentul lor unic. Ei studiază, de asemenea, sistemele nervoase ale altor cefalopode, inclusiv calmarii și sepiele, pentru a vedea dacă au o anatomie similară.

În cele din urmă, Hale consideră că, pe lângă faptul că aruncă lumină asupra modurilor neașteptate în care o specie de nevertebrate ar putea proiecta un sistem nervos, înțelegerea acestor sisteme poate ajuta la dezvoltarea de noi tehnologii de inginerie, cum ar fi roboții.

„Caracatițele pot fi o sursă de inspirație biologică pentru proiectarea dispozitivelor subacvatice autonome”, a spus Hale. „Gândiți-vă la brațele lor – se pot îndoi oriunde, nu doar la nivelul articulațiilor. Se pot răsuci, își pot extinde brațele și își pot opera ventuzele, totul independent. Funcția unui braț de caracatiță este mult mai sofisticată decât a noastră, așa că înțelegem cum caracatițele integrează informații senzorio-motorii și controlul mișcării poate sprijini dezvoltarea de noi tehnologii.

Referință: „Coardele nervoase multiple conectează brațele caracatițelor, oferind căi alternative pentru semnalizarea între brațe” de Adam Kuuspalu, Samantha Cody și Melina E. Hale, 28 noiembrie 2022, Biologie actuală.
DOI: 10.1016/j.cub.2022.11.007

Studiul a fost finanțat de Oficiul de Cercetare Navală al Statelor Unite.

Add Comment