اكتشف 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 أجهزة مستقلة تحت الماء وغيرها من ابتكارات هندسة الروبوتات.

الأخطبوطات ليست مثل البشر – فهي لافقاريات لها 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 يجعلها موضوعًا مثيرًا للاهتمام للباحثين مثل ميلينا هيل ، دكتوراه ، أستاذ ويليام ريني هاربر لبيولوجيا الكائنات الحية ونائب رئيس الجامعة في جامعة شيكاغو، الذين يريدون أن يفهموا كيف يمكن لهياكل الجهاز العصبي البديلة أن تؤدي نفس الوظائف مثل تلك الموجودة لدى البشر ، مثل استشعار حركة الأطراف والتحكم في الحركة.

في دراسة حديثة نشرت في علم الأحياء الحالي، اكتشفت هيل وزملاؤها ميزة جديدة ومدهشة للجهاز العصبي للأخطبوط: هيكل يسمح للأحبال العصبية العضلية (INCs) ، التي تساعد الأخطبوط على استشعار حركة ذراعه ، لربط الأذرع على جانبي الحيوان.

يوفر الاكتشاف المذهل رؤى جديدة حول كيفية تطوير الأنواع اللافقارية بشكل مستقل لأنواع عصبية معقدة. يمكن أن يوفر أيضًا مصدر إلهام للهندسة الروبوتية ، مثل الأجهزة تحت الماء الجديدة المستقلة.

شريحة أفقية عند قاعدة الذراعين (مُسمى A) تُظهر تقارب وتقاطع INCs عن طريق الفم (المسمى O). الائتمان: Kuuspalu et al. ، علم الأحياء الحالي، 2022

قال هيل: “في مختبري ، ندرس التحسس الميكانيكي واستقبال الحس العميق – كيف يتم استشعار حركة الأطراف وموضعها”. “لطالما كان يُعتقد أن جزيئات INCs هذه محسوسة ، لذا فقد كانت هدفًا مثيرًا للاهتمام للمساعدة في الإجابة على أنواع الأسئلة التي يطرحها مختبرنا. حتى الآن ، لم يتم إنجاز الكثير من العمل عليها ، لكن التجارب السابقة أشارت إلى أنها مهمة للتحكم في الذراع “.

بفضل دعم أبحاث رأسيات الأرجل التي قدمها المختبر البيولوجي البحري ، تمكنت هيل وفريقها من استخدام الأخطبوطات الصغيرة للدراسة ، والتي كانت صغيرة بما يكفي للسماح للباحثين بتصوير قاعدة الأذرع الثمانية في وقت واحد. هذا يسمح للفريق بتتبع INCs من خلال الأنسجة لتحديد مسارها.

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

في البداية ، كان الفريق يدرس 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 INCs ، فقد بدأوا في تتبع الأعصاب ، متوقعين 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 INC للذراع الثالث. هذا النمط يعني أن جميع الأذرع متصلة بشكل متماثل.

ومع ذلك ، كان من الصعب تحديد كيف سيصمد النمط في جميع الأذرع الثمانية. “أثناء تصويرنا ، أدركنا أنهم لم يكونوا جميعًا يجتمعون معًا كما توقعنا ، ويبدو أنهم جميعًا يسيرون في اتجاهات مختلفة ، وكنا نحاول معرفة كيف إذا كان النمط ثابتًا لجميع الأذرع ، فكيف يمكن أن الشغل؟” قال هيل. “حتى أنني أحضرت إحدى ألعاب هؤلاء الأطفال – جهاز Spirograph – لألعب بالشكل الذي سيبدو عليه ، وكيف سيتواصل كل شيء في النهاية. لقد تطلب الأمر الكثير من التصوير واللعب بالرسومات بينما كنا ندمر أدمغتنا حول ما يمكن أن يحدث قبل أن يتضح كيف تتناسب جميعها معًا “.

لم تكن النتائج على الإطلاق ما توقع الباحثون 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 الوظيفة التي قد يخدمها هذا التصميم التشريحي ، لكن لديهم بعض الأفكار.

قال هيل: “لقد شاركت بعض الأوراق البحثية القديمة رؤى مثيرة للاهتمام”. أظهرت إحدى الدراسات من الخمسينيات أنه عندما تتلاعب بذراع على جانب واحد من الأخطبوط مع مناطق دماغية متضررة ، سترى الذراعين تستجيب 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 مسالكها ، لذلك قد تسمح أيضًا باستمرارية ردود الفعل التحسسية والتحكم الحركي على طول أطوالها. “

يُجري الفريق حاليًا تجارب لمعرفة ما إذا كان بإمكانهم اكتساب أفكار حول هذا السؤال من خلال تحليل فسيولوجيا INCs وتخطيطها الفريد. كما أنهم 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 إلقاء الضوء على الطرق غير المتوقعة التي قد تصمم بها الأنواع اللافقارية نظامًا عصبيًا ، فإن فهم هذه الأنظمة يمكن أن يساعد في تطوير تقنيات هندسية جديدة ، مثل الروبوتات.

قال هيل: “يمكن أن تكون الأخطبوطات مصدر إلهام بيولوجي لتصميم أجهزة مستقلة تحت سطح البحر”. “فكر في أذرعهم – يمكنهم الانحناء في أي مكان ، وليس فقط عند المفاصل. يمكنهم تحريف وتمديد أذرعهم وتشغيل مصاصاتهم ، كل ذلك بشكل مستقل. إن وظيفة ذراع الأخطبوط أكثر تعقيدًا بكثير من ذراعنا ، لذا فإن فهم كيفية دمج الأخطبوطات بين المعلومات الحسية الحركية والتحكم في الحركة يمكن أن يدعم تطوير تقنيات جديدة “.

المرجع: “تربط الحبال العصبية المتعددة أذرع الأخطبوطات ، مما يوفر 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.