Уникальные особенности осьминога создают «совершенно новый способ проектирования нервной системы»

Осьминоги сильно отличаются от людей — это беспозвоночные с восемью щупальцами, более близкие родственники моллюсков и улиток. Тем не менее, у них развились сложные нервные системы с таким же количеством нейронов, как в мозге собак, и они способны на широкий спектр сложных форм поведения. По мнению Мелины Хейл, доктора философии, и других исследователей, это означает, что они предоставляют отличную возможность изучить, как альтернативные структуры нервной системы могут выполнять те же базовые функции ощущения и движения конечностей.

В новом исследовании, опубликованном 28 ноября в журнале Current Biology, Хейл, профессор биологии организмов Уильям Рейни Харпер и проректор Чикагского университета, и её коллеги описали нечто новое и совершенно неожиданное в нервной системе осьминога. Они обнаружили структуру, посредством которой внутримышечные нервные тяжи (intramuscular nerve cords, INCs), помогающие животному ощущать движение щупалец, соединяют щупальца на противоположных сторонах тела.

Это поразительное открытие даёт новое представление о том, как виды беспозвоночных независимо эволюционировали в сторону сложных нервных систем. Оно также может вдохновить на разработки в робототехнике, например, новых автономных подводных устройств.

«В моей лаборатории мы изучаем механорецепцию и проприоцепцию — то, как ощущаются движение и положение конечностей», — сказала Хейл. «Эти INCs давно считались проприоцептивными, поэтому они были интересной мишенью для поиска ответов на вопросы, которые задаёт наша лаборатория. До сих пор над ними не было проведено много работы, но прошлые эксперименты указывали на их важность для контроля над щупальцами».

Благодаря поддержке исследований головоногих, предоставленной Морской биологической лабораторией, Хейл и её команда смогли использовать для исследования молодых осьминогов, достаточно маленьких, чтобы позволить исследователям визуализировать основание всех восьми щупалец одновременно. Это позволило команде проследить путь INCs через ткани.

«Эти осьминоги были размером примерно с пятицентовик или четвертак, поэтому был необходим процесс правильной ориентации образцов и получения правильного угла при срезе [для визуализации]», — сказал Адам Кууспалу, старший научный сотрудник Чикагского университета и ведущий автор исследования.

Изначально команда изучала более крупные осевые нервные тяжи в щупальцах, но начала замечать, что INCs не заканчиваются у основания щупальца, а продолжаются за его пределы в тело животного. Осознав, что анатомии INCs уделялось мало внимания, они начали прослеживать эти нервы, ожидая, что они образуют кольцо в теле осьминога, подобно осевым нервным тяжам.

С помощью визуализации команда установила, что, помимо прохождения по всей длине каждого щупальца, по крайней мере два из четырёх INCs простираются в тело осьминога, где они минуют два соседних щупальца и сливаются с INC третьего по счёту щупальца. Эта схема означает, что все щупальца соединены симметрично.

Однако определить, как эта схема работает для всех восьми щупалец, было сложно. «Во время визуализации мы поняли, что они соединяются не так, как мы ожидали, все, казалось, идут в разных направлениях, и мы пытались выяснить, если паттерн верен для всех щупалец, то как это работает?» — сказала Хейл.

«Я даже достала одну из тех детских игрушек — спирограф — чтобы поиграть с тем, как это будет выглядеть, как всё в итоге соединится. Потребовалось много визуализации и игр с рисунками, пока мы ломали голову над тем, что происходит, прежде чем стало ясно, как всё сочетается».

Результаты совершенно не соответствовали ожиданиям исследователей.

«Мы думаем, что это новая конструкция для нервной системы, основанной на конечностях», — сказала Хейл. «Мы не видели ничего подобного у других животных».

Исследователи пока не знают, какую функцию может выполнять эта анатомическая конструкция, но у них есть некоторые идеи. «Некоторые более старые работы дают интересные идеи», — сказала Хейл.

«Одно исследование 1950-х годов показало, что когда вы манипулируете щупальцем на одной стороне осьминога с повреждёнными участками мозга, вы увидите реакцию щупалец на другой стороне. Возможно, эти нервы позволяют осуществлять децентрализованный контроль рефлекторного ответа или поведения. В то же время мы также видим, что волокна от нервных тяжей отходят к мышцам по всей их длине, поэтому они также могут обеспечивать непрерывность проприоцептивной обратной связи и моторного контроля по их длине».

Команда в настоящее время проводит эксперименты, чтобы выяснить, можно ли получить представление об этом вопросе, изучив физиологию INCs и их уникальное строение. Они также изучают нервные системы других головоногих, включая кальмаров и каракатиц, чтобы выяснить, есть ли у них схожая анатомия.

В конечном итоге Хейл считает, что, помимо прояснения неожиданных способов, которыми вид беспозвоночных может проектировать нервную систему, понимание этих систем может помочь в разработке новых инженерных технологий, таких как роботы.

«Осьминоги могут стать биологическим источником вдохновения для проектирования автономных подводных устройств», — сказала Хейл. «Подумайте об их щупальцах — они могут сгибаться в любом месте, а не только в суставах. Они могут скручиваться, вытягивать щупальца и управлять присосками, и всё это независимо. Функция щупальца осьминога намного сложнее нашей, поэтому понимание того, как осьминоги интегрируют сенсомоторную информацию и контроль движений, может поддержать разработку новых технологий».