Осьминоги не очень похожи на людей — они беспозвоночные с восемью руками и более тесно связаны с моллюсками и улитками. Тем не менее, у них развилась сложная нервная система с таким же количеством нейронов, как в мозге собак, и они способны к широкому спектру сложных форм поведения. По мнению Мелины Хейл, доктора философии, и других исследователей в этой области, это означает, что они предоставляют прекрасную возможность изучить, как альтернативные структуры нервной системы могут выполнять те же основные функции ощущения конечностей и движения.

Теперь, в новом исследовании, опубликованном 28 ноября в журнале Current Biology, Хейл, Уильям Рейни Харпер, профессор биологии организмов и вице-проректор UChicago, и ее коллеги описали нечто новое и совершенно неожиданное в нервной системе осьминога: структуру, благодаря которой внутримышечные нервные волокна (INCs), которые помогают животное почувствует движение своей руки, соедините руки с противоположных сторон животного.

Это поразительное открытие дает новое представление о том, как виды беспозвоночных независимо развили сложные нервные системы. Это также может послужить источником вдохновения для робототехники, такой как новые автономные подводные устройства.

"В моей лаборатории мы изучаем механосенсацию и проприоцепцию — как воспринимается движение и положение конечностей", - сказал Хейл. "Долгое время считалось, что эти INC обладают проприоцептивными свойствами, поэтому они были интересной мишенью для того, чтобы помочь ответить на те вопросы, которые задает наша лаборатория. До сих пор над ними не было проделано много работы, но прошлые эксперименты показали, что они важны для управления рукой ".

Благодаря поддержке исследований головоногих моллюсков, предложенной Морской биологической лабораторией, Хейл и ее команда смогли использовать для исследования молодых осьминогов, которые были достаточно малы, чтобы позволить исследователям получить изображение основания всех восьми рук сразу. Это позволило команде проследить INCS через ткань, чтобы определить их путь.

"Эти осьминоги были размером с никель или, может быть, с четверть, так что это был процесс прикрепления образцов в правильной ориентации и получения правильного угла во время разрезания [для получения изображения]", - сказал Адам Кууспалу, старший аналитик-исследователь в UChicago и ведущий автор исследования..

Первоначально команда изучала более крупные осевые нервные пучки на руках, но начала замечать, что INCS не заканчиваются у основания руки, а скорее продолжаются от руки в тело животного. Понимая, что для изучения анатомии инков было проделано мало работы, они начали прослеживать нервы, ожидая, что они образуют кольцо в теле осьминога, похожее на осевые нервные тяжи.

С помощью визуализации команда определила, что в дополнение к длине каждой руки, по крайней мере, два из четырех надрезов простираются в тело осьминога, где они обходят две соседние руки и сливаются с надрезом третьей руки. Этот узор означает, что все рычаги соединены симметрично.

Однако было непросто определить, как этот узор будет сохраняться во всех восьми рукавах. "Когда мы делали снимки, мы поняли, что они не все сходятся вместе, как мы ожидали, все они, кажется, движутся в разных направлениях, и мы пытались выяснить, как, если бы шаблон сохранялся для всех рук, как бы это работало?" - сказал Хейл.

"Я даже достал одну из этих детских игрушек — Спирограф — чтобы поиграть с тем, как это будет выглядеть, как все это соединится в конце. Потребовалось много воображения и игры с рисунками, пока мы ломали голову над тем, что могло бы происходить, прежде чем стало ясно, как все это сочетается".

Результаты оказались совсем не такими, какие ожидали найти исследователи.

"Мы думаем, что это новый дизайн нервной системы, основанной на конечностях", - сказал Хейл. "Мы не видели ничего подобного у других животных".

Исследователи пока не знают, какой функции может служить эта анатомическая конструкция, но у них есть некоторые идеи. "Некоторые старые статьи поделились интересными идеями", - сказал Хейл.

"Одно исследование 1950-х годов показало, что когда вы манипулируете рукой с одной стороны осьминога с поврежденными участками мозга, вы увидите, как руки реагируют с другой стороны. Таким образом, возможно, что эти нервы позволяют децентрализованно контролировать рефлексивную реакцию или поведение. Тем не менее, мы также видим, что волокна выходят из нервных окончаний в мышцы по всему их пути, поэтому они также могут обеспечивать непрерывность проприоцептивной обратной связи и моторного контроля по всей их длине ".

В настоящее время команда проводит эксперименты, чтобы выяснить, смогут ли они получить представление об этом вопросе, проанализировав физиологию INCS и их уникальную компоновку. Они также изучают нервные системы других головоногих моллюсков, включая кальмаров и каракатиц, чтобы выяснить, имеют ли они схожую анатомию.

В конечном счете, Хейл считает, что в дополнение к освещению неожиданных способов, которыми виды беспозвоночных могут создавать нервную систему, понимание этих систем может помочь в разработке новых инженерных технологий, таких как роботы.

"Осьминоги могут стать биологическим источником вдохновения для разработки автономных подводных устройств", - сказал Хейл. "Подумайте об их руках — они могут сгибаться где угодно, не только в суставах. Они могут поворачиваться, вытягивать руки и управлять своими присосками независимо. Функция руки осьминога намного сложнее, чем у нас, поэтому понимание того, как осьминоги интегрируют сенсомоторную информацию и управление движением, может способствовать разработке новых технологий ".