科学家发现“设计神经系统的全新方法”

这一突破性发现为无脊椎动物复杂神经系统的进化提供了新的见解，并有可能激发自主水下设备的发展和机器人工程的其他创新。

章鱼与人类不同——它们是无脊椎动物，有八只手，与蛤蜊和蜗牛密切相关。 尽管如此，它们已经进化出复杂的神经系统，其神经元数量与犬脑一样多，这使它们能够表现出范围广泛的复杂行为。

这使它成为研究人员感兴趣的话题，例如 Melina Hill 博士、William Rennie Harper 生物生物学教授和大学副校长 芝加哥大学谁想了解替代神经系统结构如何执行与人类相同的功能，例如感知肢体运动和控制运动。

在最近发表于 当前生物学然后，希尔和她的同事们发现了章鱼神经系统的一个令人惊讶的新特征：一种允许神经肌肉索 (INC) 连接到动物两侧手臂的结构，神经肌肉索可以帮助章鱼感知其手臂的运动。

这一惊人的发现为无脊椎动物物种如何独立进化出复杂的神经元物种提供了新的见解。 它还可以为机器人工程提供灵感，例如新的自主水下设备。

手臂底部的水平切片（标记为 A）显示唇部 INC（标记为 O）的会聚和交叉。 图片来源：Kuuspalu 等人。 , 当前生物学2022

“在我的实验室里，我们研究机械感觉和本体感觉——如何感知肢体运动和位置，”希尔说。 “长期以来，人们一直认为这些 INC 具有感官功能，因此它们一直是一个有趣的目标，可以帮助回答我们实验室提出的各种问题。迄今为止，对它们的研究还不多，但之前的实验表明它们是对手臂控制很重要。”

得益于海洋生物实验室提供的头足类研究支持，希尔和她的团队能够使用小章鱼进行研究，这些小章鱼足够小，可以让研究人员同时对八只手臂的底部进行成像。 这允许团队通过组织跟踪 INC 以确定它们的轨迹。

“这些章鱼大约有五分硬币大小，或者可能是四分之一硬币那么大，所以这是一个将标本粘在正确方向并在切片时获得正确角度的过程 [for imaging]芝加哥大学高级研究分析师、该研究的主要作者 Adam Koospalo 说。

最初，该团队正在研究手臂中较大的轴突神经索，但开始注意到 INC 并没有停留在手臂的底部，而是继续从手臂进入动物的身体。 意识到在探索 INC 分子的解剖结构方面所做的工作很少，他们开始追踪神经，期望它们在章鱼体内形成一个环，类似于轴突神经索。

通过成像，该团队确定除了延伸每只手臂的长度外，四个 INC 中至少有两个延伸到章鱼体内，它们绕过相邻的手臂并与第三只手臂的 INC 融合。 这种模式意味着所有的手臂都是对称连接的。

然而，很难说这种模式在所有八个手臂上的表现如何。 “在我们拍摄的过程中，我们意识到它们并没有像我们预期的那样全部聚集在一起，它们似乎都朝着不同的方向发展，我们试图弄清楚如果所有手臂的模式都一致，它是如何工作？” 希尔说。 “我什至带了其中一个儿童玩具——螺旋计——来玩它的样子，以及最后一切会如何连接。我们绞尽脑汁思考什么时，花了很多时间拍摄和玩弄图形。可能会在一切如何组合在一起变得清晰之前发生。”

结果根本不是研究人员预期的结果。

“我们认为这是一种新颖的基于肢体的神经系统设计，”希尔说。 “我们还没有在其他动物身上看到过这样的事情。”

研究人员还不知道这种解剖设计可能起到什么作用，但他们确实有一些想法。

“一些较早的研究论文分享了有趣的见解，”希尔说。 1950 年代的一项研究表明，当你操纵大脑区域受损的章鱼一侧的手臂时，你会看到另一侧的手臂做出反应。 因此，这些神经可以分散控制反射性反应或行为。 然而，我们也看到纤维从神经索沿着它们的束进入肌肉，因此它们也可能允许过敏反应和运动控制沿着它们的长度连续发生。 “

该团队目前正在进行实验，看看他们是否可以通过分析 INC 的生理学和独特映射来深入了解这个问题。 他们还在研究其他头足类动物的神经系统，包括乌贼和乌贼，看它们是否具有相似的解剖结构。

最终，希尔认为，除了揭示无脊椎物种可能设计神经系统的意想不到的方式外，了解这些系统还有助于开发新的工程技术，例如机器人技术。

“章鱼可能是海底自主设备设计的生物学灵感，”希尔说。 “想想他们的手臂——他们可以在任何地方弯曲，而不仅仅是在关节处。他们可以独立地扭曲和伸展他们的手臂并操作他们的吸盘。章鱼手臂的功能比我们的复杂得多，所以了解章鱼如何整合感觉运动信息和控制它们的运动可以支持新技术的发展。

参考：“多条神经索连接章鱼的手臂，为手臂之间的信号传递提供替代途径”，作者 Adam Koospalo、Samantha Cuddy 和 Melina E. Hill，2022 年 11 月 28 日，可在此处获取。 当前生物学.
DOI: 10.1016/j.cub.2022.11.007

该研究由美国海军研究办公室资助。