Wissenschaftler entdecken „völlig neue Art, das Nervensystem zu gestalten“

Diese bahnbrechende Entdeckung liefert neue Einblicke in die Entwicklung komplexer Nervensysteme in wirbellosen Arten und hat das Potenzial, die Entwicklung autonomer Unterwassergeräte und anderer Innovationen in der Robotiktechnik zu inspirieren.

Oktopusse sind nicht wie Menschen – sie sind wirbellose Tiere mit acht Armen und eng verwandt mit Muscheln und Schnecken. Trotzdem haben sie komplexe Nervensysteme mit so vielen Neuronen wie Hundegehirne entwickelt, wodurch sie eine breite Palette komplexer Verhaltensweisen zeigen können.

Dies macht es zu einem interessanten Thema für Forscher wie Melina Hill, Ph.D., William Rennie Harper, Professor für Biologie der Organismen und Vizekanzler der Universität Universität Chicagodie verstehen möchten, wie alternative Strukturen des Nervensystems die gleichen Funktionen wie beim Menschen erfüllen können, wie z. B. das Erfassen von Gliedmaßenbewegungen und das Steuern von Bewegungen.

In einer kürzlich veröffentlichten Studie in Aktuelle BiologieDann entdeckten Hill und ihre Kollegen ein überraschendes neues Merkmal des Nervensystems des Oktopus: eine Struktur, die es den neuromuskulären Stränge (INCs), die dem Oktopus helfen, seine Armbewegung zu erkennen, ermöglicht, sich mit den Armen auf beiden Seiten des Tieres zu verbinden.

Die verblüffende Entdeckung liefert neue Erkenntnisse darüber, wie wirbellose Arten unabhängig voneinander komplexe neuronale Arten entwickelt haben. Es könnte auch Inspiration für die Robotertechnik liefern, beispielsweise für neue autonome Unterwassergeräte.

Ein horizontaler Schnitt an der Basis der Arme (mit A gekennzeichnet), der die Konvergenz und den Schnittpunkt oraler INCs (mit O gekennzeichnet) zeigt. Bildnachweis: Kuuspalu et al. , Aktuelle Biologie2022

„In meinem Labor untersuchen wir Mechanosensorik und Propriozeption – wie die Bewegung und Position der Gliedmaßen wahrgenommen werden“, sagte Hill. „Diese INCs wurden lange als sensorisch angesehen, daher waren sie ein interessantes Ziel, um die Art von Fragen zu beantworten, die unser Labor stellt. Bis heute wurde nicht viel an ihnen gearbeitet, aber frühere Experimente haben gezeigt, dass sie es sind wichtig für die Waffenkontrolle.“

Dank der Unterstützung der Kopffüßer-Forschung durch das Marine Biological Laboratory konnten Hill und ihr Team Baby-Oktopusse für die Studie verwenden, die klein genug waren, um es den Forschern zu ermöglichen, die Basis der acht Arme auf einmal abzubilden. Auf diese Weise kann das Team die INCs durch das Gewebe verfolgen, um ihre Flugbahn zu bestimmen.

„Diese Oktopusse waren etwa so groß wie ein Nickel oder vielleicht ein Viertel, also mussten die Exemplare in die richtige Richtung geklebt und beim Schneiden in den richtigen Winkel gebracht werden [for imaging]sagte Adam Koospalo, Senior Research Analyst bei UChicago und Hauptautor der Studie.

Anfangs untersuchte das Team die größeren axonalen Nervenstränge in den Armen, aber es bemerkte allmählich, dass die INCs nicht an der Basis des Arms aufhörten, sondern sich aus dem Arm heraus in den Körper des Tieres fortsetzten. Als sie erkannten, dass bei der Erforschung der Anatomie von INCs wenig Arbeit geleistet worden war, begannen sie, die Nerven zu verfolgen, in der Erwartung, dass sie eine Schleife im Körper des Oktopus bilden würden, ähnlich wie axonale Nervenstränge.

Durch Bildgebung stellte das Team fest, dass sich mindestens zwei der vier Zylinder nicht nur über die Länge jedes Arms erstrecken, sondern auch in den Körper des Oktopus hineinragen, wo sie benachbarte Arme umgehen und mit dem INC des dritten Arms verschmelzen. Dieses Muster bedeutet, dass alle Arme symmetrisch verbunden sind.

Es war jedoch schwierig zu sagen, wie sich das Muster über alle acht Arme halten würde. „Während wir filmten, stellten wir fest, dass sie nicht alle so zusammenkamen, wie wir es erwartet hatten, sie schienen alle in verschiedene Richtungen zu gehen, und wir versuchten herauszufinden, ob das Muster für alle Arme konsistent ist, wie es funktioniert arbeiten?“ sagte Hügel. „Ich habe sogar eines dieser Kinderspielzeuge – den Spirograph – mitgebracht, um damit zu spielen, wie es aussehen würde und wie sich am Ende alles verbinden würde passieren könnte, bevor klar wurde, wie alles zusammenpasst.“ .

Die Ergebnisse waren überhaupt nicht das, was die Forscher erwartet hatten.

„Wir glauben, dass dies ein neuartiges, auf Gliedmaßen basierendes Nervensystem ist“, sagte Hill. „So etwas haben wir bei anderen Tieren noch nicht gesehen.“

Die Forscher wissen noch nicht, welche Funktion dieses anatomische Design erfüllen könnte, aber sie haben einige Ideen.

„Einige der älteren Forschungsarbeiten haben interessante Erkenntnisse geteilt“, sagte Hill. Eine Studie aus den 1950er Jahren zeigte, dass, wenn Sie einen Arm auf einer Seite eines Oktopus mit beschädigten Gehirnregionen manipulieren, Sie sehen, wie die Arme auf der anderen Seite reagieren. Daher könnten diese Nerven eine dezentralisierte Kontrolle der reflexiven Reaktion oder des Verhaltens ermöglichen. Wir sehen jedoch auch, dass Fasern aus den Nervensträngen in die Muskeln entlang ihrer Bahnen austreten, sodass sie möglicherweise auch die Kontinuität allergischer Reaktionen und die motorische Kontrolle entlang ihrer Länge ermöglichen. „

Das Team führt derzeit Experimente durch, um zu sehen, ob es Einblicke in diese Frage gewinnen kann, indem es die Physiologie und einzigartige Kartierung von INCs analysiert. Sie untersuchen auch das Nervensystem anderer Kopffüßer, einschließlich Tintenfische und Tintenfische, um festzustellen, ob sie eine ähnliche Anatomie haben.

Letztendlich glaubt Hill, dass das Verständnis dieser Systeme nicht nur Aufschluss über unerwartete Wege geben könnte, wie wirbellose Arten ein Nervensystem entwickeln können, sondern auch dazu beitragen könnte, neue technische Technologien wie Robotik zu entwickeln.

„Oktopusse könnten eine biologische Inspiration für das Design autonomer Geräte unter dem Meer sein“, sagte Hill. „Denken Sie an ihre Arme – sie können sich überall beugen, nicht nur an den Gelenken. Sie können ihre Arme drehen und strecken und ihre Saugnäpfe bedienen, alles unabhängig. Die Funktion des Arms eines Oktopus ist viel komplexer als unsere, also verstehen Sie, wie sich Oktopusse integrieren Sensomotorische Informationen und die Steuerung ihrer Bewegung können die Entwicklung neuer Technologien unterstützen.“

Referenz: „Mehrere Nervenstränge verbinden die Arme von Tintenfischen und bieten alternative Signalwege zwischen den Armen“ Von Adam Koospalo, Samantha Cuddy und Melina E. Hill, 28. November 2022, hier verfügbar. Aktuelle Biologie.
DOI: 10.1016/j.cub.2022.11.007

Die Studie wurde vom United States Office of Naval Research finanziert.