Phát hiện mang tính đột phá này cung cấp những hiểu biết mới về sự tiến hóa của các hệ thống thần kinh phức tạp ở các loài động vật không xương sống và có khả năng truyền cảm hứng cho sự phát triển của các thiết bị tự động dưới nước và những đổi mới khác trong kỹ thuật chế tạo rô-bốt.

Bạch tuộc không giống con người – chúng là động vật không xương sống có tám cánh tay và có họ hàng gần với trai và ốc sên. Mặc dù vậy, chúng đã phát triển hệ thống thần kinh phức tạp với nhiều tế bào thần kinh như não chó, điều này cho phép chúng thể hiện một loạt các hành vi phức tạp.

Điều này làm cho nó trở thành một chủ đề thú vị cho các nhà nghiên cứu như Melina Hill, Tiến sĩ, William Rennie Harper, Giáo sư Sinh học Sinh vật và Phó Hiệu trưởng Đại học tại Đại học Chicagonhững người muốn hiểu làm thế nào các cấu trúc hệ thần kinh thay thế có thể thực hiện các chức năng tương tự như ở người, chẳng hạn như cảm nhận chuyển động của chi và kiểm soát chuyển động.

Trong một nghiên cứu gần đây được công bố trên Sinh học hiện tạiSau đó, Hill và các đồng nghiệp của cô đã phát hiện ra một tính năng mới đáng ngạc nhiên trong hệ thống thần kinh của bạch tuộc: một cấu trúc cho phép các dây thần kinh cơ (INC), giúp bạch tuộc cảm nhận được chuyển động của cánh tay, kết nối với cánh tay ở hai bên của con vật.

Khám phá gây sửng sốt cung cấp những hiểu biết mới về cách thức các loài động vật không xương sống phát triển độc lập các loài thần kinh phức tạp. Nó cũng có thể cung cấp nguồn cảm hứng cho kỹ thuật robot, chẳng hạn như các thiết bị tự động dưới nước mới.

Lát ngang ở gốc cánh tay (được dán nhãn A) cho thấy sự hội tụ và giao nhau của các INC trong phòng thí nghiệm (được dán nhãn O). Tín dụng: Kuuspalu et al. , Sinh học hiện tại2022

Hill cho biết: “Trong phòng thí nghiệm của tôi, chúng tôi nghiên cứu cảm giác cơ học và cảm nhận quyền sở hữu – cách cảm nhận chuyển động và vị trí của các chi. “Những INC này từ lâu đã được cho là có cảm giác, vì vậy chúng là một mục tiêu thú vị để giúp trả lời các loại câu hỏi mà phòng thí nghiệm của chúng tôi đang đặt ra. Cho đến nay, không có nhiều nghiên cứu được thực hiện trên chúng, nhưng các thí nghiệm trước đây đã chỉ ra rằng chúng là quan trọng để kiểm soát cánh tay.”

Nhờ sự hỗ trợ nghiên cứu động vật thân mềm do Phòng thí nghiệm sinh học biển cung cấp, Hill và nhóm của cô đã có thể sử dụng những con bạch tuộc con cho nghiên cứu, chúng đủ nhỏ để cho phép các nhà nghiên cứu chụp ảnh cơ sở của tám cánh tay cùng một lúc. Điều này cho phép nhóm theo dõi INC thông qua các mô để xác định quỹ đạo của chúng.

“Những con bạch tuộc này có kích thước bằng đồng xu hoặc có thể là một phần tư, vì vậy đó là một quá trình dán các mẫu vật theo đúng hướng và có được góc phù hợp trong khi cắt lát. [for imaging]Adam Koospalo, nhà phân tích nghiên cứu cao cấp tại UChicago và là tác giả chính của nghiên cứu cho biết.

Ban đầu, nhóm đang nghiên cứu các dây thần kinh sợi trục lớn hơn ở cánh tay nhưng bắt đầu nhận thấy rằng INC không dừng lại ở gốc cánh tay mà tiếp tục ra khỏi cánh tay vào cơ thể con vật. Nhận thấy rằng còn rất ít công việc đã được thực hiện để khám phá cấu trúc giải phẫu của các phân tử INC, họ bắt đầu lần theo dấu vết của các dây thần kinh, hy vọng chúng sẽ tạo thành một vòng trong cơ thể của một con bạch tuộc, tương tự như các dây thần kinh sợi trục.

Thông qua hình ảnh, nhóm nghiên cứu xác định rằng ngoài việc chạy theo chiều dài của mỗi cánh tay, ít nhất hai trong số bốn xi-lanh kéo dài trong cơ thể bạch tuộc, nơi chúng bỏ qua các cánh tay liền kề và hợp nhất với INC của cánh tay thứ ba. Mô hình này có nghĩa là tất cả các nhánh được kết nối đối xứng.

Tuy nhiên, thật khó để nói làm thế nào mô hình này sẽ duy trì trên cả tám nhánh. “Khi chúng tôi đang quay phim, chúng tôi nhận ra rằng tất cả chúng không đến với nhau như chúng tôi mong đợi, tất cả chúng dường như đang đi theo những hướng khác nhau và chúng tôi đang cố gắng tìm hiểu làm thế nào nếu mô hình nhất quán cho tất cả các cánh tay, thì nó sẽ như thế nào công việc?” Đồi cho biết. “Tôi thậm chí còn mang theo một trong những món đồ chơi của bọn trẻ này—máy Spirograph—để thử xem nó sẽ trông như thế nào và cuối cùng mọi thứ sẽ kết nối với nhau như thế nào. Chúng tôi đã mất rất nhiều thời gian để quay phim và chơi với đồ họa khi chúng tôi vắt óc suy nghĩ về những gì có thể xảy ra trước khi mọi chuyện trở nên rõ ràng bằng cách nào mà tất cả ăn khớp với nhau như thế nào.” .

Kết quả hoàn toàn không phải là những gì các nhà nghiên cứu mong đợi.

“Chúng tôi nghĩ rằng đây là một thiết kế hệ thống thần kinh dựa trên chi mới,” Hill nói. “Chúng tôi chưa từng thấy bất cứ điều gì như thế này ở các loài động vật khác.”

Các nhà nghiên cứu vẫn chưa biết thiết kế giải phẫu này có thể phục vụ chức năng gì, nhưng họ có một số ý tưởng.

“Một số tài liệu nghiên cứu cũ đã chia sẻ những hiểu biết thú vị,” Hill nói. Một nghiên cứu từ những năm 1950 cho thấy khi bạn điều khiển cánh tay ở một bên của con bạch tuộc có vùng não bị tổn thương, bạn sẽ thấy cánh tay bên kia phản ứng. Do đó, những dây thần kinh này có thể cho phép kiểm soát phi tập trung các phản ứng hoặc hành vi phản xạ. Tuy nhiên, chúng ta cũng thấy rằng các sợi thoát ra từ dây thần kinh vào cơ dọc theo đường của chúng, vì vậy chúng cũng có thể cho phép các phản ứng dị ứng và kiểm soát vận động diễn ra liên tục dọc theo chiều dài của chúng. “

Nhóm hiện đang tiến hành các thử nghiệm để xem liệu họ có thể hiểu rõ hơn về câu hỏi này hay không bằng cách phân tích sinh lý học và lập bản đồ duy nhất của INC. Họ cũng đang nghiên cứu hệ thần kinh của các loài cephalepad khác, bao gồm mực nang và mực nang, để xem liệu chúng có chia sẻ giải phẫu tương tự hay không.

Cuối cùng, Hill tin rằng ngoài việc làm sáng tỏ những cách bất ngờ mà các loài động vật không xương sống có thể thiết kế hệ thần kinh, hiểu biết về các hệ thống này có thể giúp phát triển các công nghệ kỹ thuật mới, chẳng hạn như người máy.

Hill cho biết: “Bạch tuộc có thể là nguồn cảm hứng sinh học cho việc thiết kế các thiết bị tự hành dưới biển. “Hãy nghĩ về cánh tay của chúng – chúng có thể uốn cong ở bất cứ đâu, không chỉ ở các khớp. Chúng có thể vặn, duỗi cánh tay và vận hành các giác hút của chúng, tất cả đều độc lập. Chức năng của cánh tay bạch tuộc phức tạp hơn nhiều so với cánh tay của chúng ta, vì vậy hiểu được cách bạch tuộc tích hợp thông tin cảm biến và kiểm soát Chuyển động của chúng có thể hỗ trợ sự phát triển của các công nghệ mới.

Tham khảo: “Nhiều dây thần kinh kết nối các cánh của bạch tuộc, cung cấp các đường truyền tín hiệu thay thế giữa các cánh” của Adam Koospalo, Samantha Cuddy và Melina E. Hill, ngày 28 tháng 11 năm 2022, Có sẵn tại đây. Sinh học hiện tại.
DOI: 10.1016/j.cub.2022.11.007

Nghiên cứu được tài trợ bởi Văn phòng Nghiên cứu Hải quân Hoa Kỳ.