Wetenschappers ontdekken ‘geheel nieuwe manier om het zenuwstelsel te ontwerpen’

Deze baanbrekende ontdekking biedt nieuwe inzichten in de evolutie van complexe zenuwstelsels bij ongewervelde soorten en heeft het potentieel om de ontwikkeling van autonome onderwaterapparatuur en andere innovaties in robotica-engineering te inspireren.

Octopussen zijn niet zoals mensen – het zijn ongewervelde dieren met acht armen en nauw verwant aan kokkels en slakken. Desondanks hebben ze complexe zenuwstelsels ontwikkeld met evenveel neuronen als hondenhersenen, waardoor ze een breed scala aan complexe gedragingen kunnen vertonen.

Dit maakt het een interessant onderwerp voor onderzoekers zoals Melina Hill, Ph.D., William Rennie Harper Professor of Biology of Organisms en University Vice Chancellor at Universiteit van Chicagodie willen begrijpen hoe alternatieve structuren van het zenuwstelsel dezelfde functies kunnen vervullen als die bij mensen, zoals het waarnemen van bewegingen van ledematen en het beheersen van bewegingen.

In een recente studie gepubliceerd in Huidige biologieToen ontdekten Hill en haar collega’s een verrassend nieuw kenmerk van het zenuwstelsel van de octopus: een structuur die neuromusculaire koorden (INC’s), die de octopus helpen zijn armbewegingen te voelen, in staat stelt verbinding te maken met de armen aan weerszijden van het dier.

De verrassende ontdekking biedt nieuwe inzichten in hoe ongewervelde soorten onafhankelijk complexe neuronale soorten ontwikkelden. Het kan ook inspiratie bieden voor robottechniek, zoals nieuwe autonome onderwaterapparaten.

Een horizontale plak aan de basis van de armen (aangeduid met A) die de convergentie en kruising van orale INC’s (aangeduid met O) laat zien. Krediet: Kuuspalu et al. , Huidige biologie2022

“In mijn laboratorium bestuderen we mechanosensatie en proprioceptie – hoe beweging en positie van ledematen worden waargenomen,” zei Hill. “Er werd lang gedacht dat deze INC’s sensorisch zijn, dus ze zijn een interessant doelwit geweest om het soort vragen te helpen beantwoorden dat ons lab stelt. Tot op heden is er niet veel werk aan gedaan, maar eerdere experimenten hebben aangetoond dat ze dat wel zijn belangrijk voor armcontrole.”

Dankzij de onderzoeksondersteuning voor koppotigen van het Marine Biological Laboratory konden Hill en haar team baby-octopussen gebruiken voor het onderzoek, die klein genoeg waren om de onderzoekers in staat te stellen de basis van de acht armen tegelijk in beeld te brengen. Hierdoor kan het team de INC’s door het weefsel volgen om hun traject te bepalen.

“Deze octopussen waren ongeveer zo groot als een nikkel of misschien een kwart, dus het was een proces om de exemplaren in de juiste richting te lijmen en de juiste hoek te krijgen tijdens het snijden [for imaging]zei Adam Koospalo, senior onderzoeksanalist bij UChicago en hoofdauteur van de studie.

Aanvankelijk bestudeerde het team de grotere axonale zenuwkoorden in de armen, maar ze begonnen op te merken dat de INC’s niet stopten bij de basis van de arm, maar eerder uit de arm doorgingen in het lichaam van het dier. Ze realiseerden zich dat er weinig werk was verzet om de anatomie van INC’s te onderzoeken en begonnen de zenuwen te traceren, in de verwachting dat ze een lus zouden vormen in het lichaam van de octopus, vergelijkbaar met axonale zenuwkoorden.

Door middel van beeldvorming stelde het team vast dat naast het lopen over de lengte van elke arm, ten minste twee van de vier cilinders zich uitstrekken in het lichaam van de octopus, waar ze aangrenzende armen omzeilen en samensmelten met de INC van de derde arm. Dit patroon betekent dat alle armen symmetrisch zijn verbonden.

Het was echter moeilijk te zeggen hoe het patroon zich over alle acht armen zou houden. “Terwijl we aan het filmen waren, realiseerden we ons dat ze niet allemaal samenkwamen zoals we hadden verwacht, ze leken allemaal in verschillende richtingen te gaan, en we probeerden erachter te komen hoe als het patroon consistent is voor alle armen, hoe komt het dan het werk?” zei Hill. “Ik heb zelfs een van de speelgoedjes van deze kinderen meegenomen, de Spirograph, om te spelen met hoe het eruit zou zien en hoe alles uiteindelijk zou aansluiten. Het kostte veel filmen en spelen met de graphics terwijl we onze hersens pijnigden over wat kon gebeuren voordat duidelijk werd hoe het allemaal in elkaar paste.” .

De resultaten waren helemaal niet wat de onderzoekers verwachtten te vinden.

“We denken dat dit een nieuw, op ledematen gebaseerd zenuwstelselontwerp is,” zei Hill. “Zoiets hebben we nog niet gezien bij andere dieren.”

De onderzoekers weten nog niet welke functie dit anatomische ontwerp zou kunnen hebben, maar ze hebben wel enkele ideeën.

“Sommige van de oudere onderzoeksdocumenten hebben interessante inzichten gedeeld,” zei Hill. Een studie uit de jaren vijftig toonde aan dat wanneer je een arm aan de ene kant van een octopus met beschadigde hersengebieden manipuleert, je de armen aan de andere kant zult zien reageren. Daarom zouden deze zenuwen een gedecentraliseerde controle van reflexieve respons of gedrag mogelijk kunnen maken. We zien echter ook dat vezels vanuit zenuwkoorden in spieren langs hun traktaten komen, dus ze kunnen ook continuïteit van allergische reacties en motorische controle over hun lengte mogelijk maken. “

Het team voert momenteel experimenten uit om te zien of ze inzicht kunnen krijgen in deze vraag door de fysiologie en unieke mapping van INC’s te analyseren. Ze bestuderen ook het zenuwstelsel van andere koppotigen, waaronder inktvissen en inktvissen, om te zien of ze een vergelijkbare anatomie hebben.

Uiteindelijk is Hill van mening dat niet alleen licht werpen op onverwachte manieren waarop ongewervelde soorten een zenuwstelsel kunnen ontwerpen, maar dat het begrijpen van deze systemen kan helpen bij het ontwikkelen van nieuwe technische technologieën, zoals robotica.

“Octopussen zouden een biologische inspiratie kunnen zijn voor het ontwerp van autonome apparaten onder de zee,” zei Hill. “Denk aan hun armen – ze kunnen overal buigen, niet alleen bij de gewrichten. Ze kunnen hun armen draaien en strekken en hun zuignappen bedienen, allemaal onafhankelijk. De functie van de arm van een octopus is veel complexer dan die van ons, dus begrijpen hoe octopussen integreren sensomotorische informatie en controle over hun beweging kan de ontwikkeling van nieuwe technologieën ondersteunen.”

Referentie: “Meerdere zenuwkoorden verbinden de armen van octopussen en bieden alternatieve paden voor signalering tussen de armen” Door Adam Koospalo, Samantha Cuddy en Melina E. Hill, 28 november 2022, hier beschikbaar. Huidige biologie.
DOI: 10.1016/j.cub.2022.11.007

De studie werd gefinancierd door het Amerikaanse Office of Naval Research.