يكتشف العلماء “ طريقة جديدة تمامًا لتصميم الجهاز العصبي “

يقدم هذا الاكتشاف الرائد رؤى جديدة حول تطور الأنظمة العصبية المعقدة في الأنواع اللافقارية ولديه القدرة على إلهام تطوير الأجهزة المستقلة تحت الماء وغيرها من الابتكارات في الهندسة الروبوتية.

الأخطبوطات ليست مثل البشر – فهي من اللافقاريات ذات ثمانية أذرع وترتبط ارتباطًا وثيقًا بالمحار والقواقع. على الرغم من ذلك ، فقد طوروا أنظمة عصبية معقدة تحتوي على العديد من الخلايا العصبية كما هو الحال في أدمغة الكلاب ، مما سمح لهم بإظهار مجموعة واسعة من السلوكيات المعقدة.

هذا يجعله موضوعًا مثيرًا للاهتمام للباحثين مثل ميلينا هيل ، دكتوراه ، أستاذ ويليام ريني هاربر لبيولوجيا الكائنات الحية ونائب رئيس الجامعة في جامعة شيكاغوالذين يريدون أن يفهموا كيف يمكن للبنى البديلة للجهاز العصبي أن تؤدي نفس الوظائف التي يؤديها البشر ، مثل استشعار حركات الأطراف والتحكم في الحركة.

في دراسة حديثة نشرت في علم الأحياء الحالياكتشف هيل وزملاؤه ميزة جديدة مدهشة للجهاز العصبي للأخطبوط: هيكل يسمح للأحبال العصبية العضلية (INCs) ، التي تساعد الأخطبوط على الشعور بحركة ذراعيه ، لربط الذراعين على الجانبين المتقابلين من جسمه. حيوان.

يوفر هذا الاكتشاف المفاجئ رؤى جديدة حول كيفية تطوير الأنواع اللافقارية بشكل مستقل لأنظمة عصبية معقدة. يمكن أن تلهم أيضًا الهندسة الروبوتية ، مثل الأجهزة تحت الماء الجديدة المستقلة.

شريحة أفقية في قاعدة الذراعين (المسمى A) تُظهر تقارب وتقاطع INCs الشفوي (المسمى O). الائتمان: Kuuspalu et al. ، علم الأحياء الحالي2022

قال هيل: “في مختبري ، ندرس التحسس الميكانيكي واستقبال الحس العميق – كيف يتم استشعار حركة الأطراف وتحديد موقعها”. “لطالما كان يُعتقد أن جزيئات INC هذه تحفز على التحسس ، لذا فقد كانت هدفًا مثيرًا للاهتمام للمساعدة في الإجابة على أنواع الأسئلة التي يطرحها مختبرنا. وحتى الآن ، لم يتم إنجاز الكثير من العمل عليها ، ولكن الدراسات التجريبية أشارت إلى أنها مهم للتحكم في الذراع.

Grâce au soutien à la recherche sur les céphalopodes offert par le Laboratoire de biologie marine, Hale et son équipe ont pu utiliser de jeunes pieuvres pour l’étude, qui étaient suffisamment petites pour permettre aux chercheurs d’imager la base des huit bras à la مرة. سمح هذا للفريق بتتبع INCs من خلال النسيج لتحديد مسارها.

“كانت هذه الأخطبوطات بحجم النيكل أو ربما الربع تقريبًا ، لذلك كانت عملية لإصلاح العينات في الاتجاه الصحيح والحصول على الزاوية الصحيحة أثناء القطع. [for imaging]قال آدم كووسبالو ، كبير محللي الأبحاث في UChicago والمؤلف الرئيسي للدراسة.

في البداية ، درس الفريق الحبال العصبية المحورية الأكبر في الذراعين ، لكنهم بدأوا في ملاحظة أن INCs لم تتوقف عند قاعدة الذراع ، بل استمرت خارج الذراع إلى جسم الحيوان. وإدراكًا منهم أن القليل من العمل قد تم إنجازه لاستكشاف تشريح جزيئات INC ، فقد بدأوا في تتبع الأعصاب ، وتوقعوا أن تشكل حلقة في جسم الأخطبوط ، على غرار الحبال العصبية المحورية.

من خلال التصوير ، قرر الفريق أنه بالإضافة إلى تشغيل طول كل ذراع ، يمتد اثنان على الأقل من أربعة أسطوانات في جسم الأخطبوط ، حيث يتجاوزان الذراعين المتجاورين ويندمجان مع الأخطبوط. هذا النمط يعني أن جميع الأذرع متصلة بشكل متماثل.

كان من الصعب ، مع ذلك ، تحديد كيفية تناسب النموذج في الأذرع الثمانية. “كما كنا نتخيل ، أدركنا أنهم لم يجتمعوا جميعًا بالطريقة التي توقعناها ، وبدا أنهم جميعًا يسيرون في اتجاهات مختلفة ، وكنا نحاول معرفة كيف إذا كان النمط ثابتًا لجميع الأذرع ، فكيف يمكن أن تعمل؟ ” قال هيل. “حتى أنني أخرجت إحدى ألعاب هؤلاء الأطفال – جهاز Spirograph – للعب بالشكل الذي سيبدو عليه ، وكيف سيتواصل كل شيء في النهاية. استغرق الأمر الكثير من الصور واللعب بالرسومات عندما اجتمعنا معًا. حفر رؤوسنا إلى ما قد يحدث قبل أن نكتشف كيف تتناسب جميعها معًا.

النتائج لم تكن على الإطلاق ما يأمل الباحثون في العثور عليه.

قال هيل: “نعتقد أن هذا تصميم جديد للجهاز العصبي القائم على الأطراف”. “لم نر أي شيء مثل هذا في الحيوانات الأخرى.”

لا يعرف الباحثون حتى الآن الغرض من استخدام هذا التصميم التشريحي ، لكن لديهم بعض الأفكار.

قال هيل: “لقد شاركت بعض الصحف القديمة بعض المعلومات الشيقة”. أظهرت دراسة من الخمسينيات أنه عندما تتلاعب بذراع على جانب واحد من الأخطبوط مع مناطق دماغية تالفة ، سترى الذراعين يتفاعلان على الجانب الآخر. لذلك يمكن أن تسمح هذه الأعصاب بالتحكم اللامركزي في الاستجابة أو السلوك الانعكاسي. ومع ذلك ، نرى أيضًا أن الألياف تخرج من الحبال العصبية إلى العضلات على طول مساراتها ، لذلك يمكنها أيضًا السماح باستمرارية ردود الفعل التحسسية والتحكم الحركي على طول طولها.

يجري الفريق حاليًا تجارب لمعرفة ما إذا كان بإمكانهم فهم هذا السؤال بشكل أفضل من خلال تحليل فسيولوجيا INCs وترتيبها الفريد. كما يدرسون الجهاز العصبي لرأسيات الأرجل الأخرى ، بما في ذلك الحبار والحبار ، لمعرفة ما إذا كان لديهم نفس التشريح.

في النهاية ، يعتقد هيل أنه بالإضافة إلى تسليط الضوء على الطرق غير المتوقعة التي يمكن للأنواع اللافقارية من خلالها هندسة الجهاز العصبي ، فإن فهم هذه الأنظمة يمكن أن يساعد في تطوير تقنيات هندسية جديدة ، مثل الروبوتات.

قال هيل: “يمكن أن تكون الأخطبوطات مصدرًا للإلهام البيولوجي لتصميم أجهزة مستقلة تحت الماء”. “فكر في أذرعهم – يمكنهم الانحناء في أي مكان ، ليس فقط عند المفاصل. يمكنهم تحريف وتمديد أذرعهم وتشغيل أكواب الشفط الخاصة بهم ، كل ذلك بشكل مستقل. وظيفة ذراع الأخطبوط أكثر تطوراً بكثير من ذراعنا ، لذا فهم كيف تدمج الأخطبوطات المعلومات الحسية الحركية ويمكن أن يدعم التحكم في الحركة تطوير تقنيات جديدة.

المرجع: “تربط الحبال العصبية المتعددة أذرع الأخطبوط ، وتوفر مسارات بديلة للإشارات بين الأذرع” بقلم آدم كووسبالو ، وسامانثا كودي ، وميلينا إي هيل ، 28 نوفمبر 2022 ، علم الأحياء الحالي.
DOI: 10.1016 / j.cub.2022.11.007

تم تمويل الدراسة من قبل مكتب الولايات المتحدة للبحوث البحرية.