اكتشف العلماء “طريقة جديدة تمامًا لهندسة الجهاز العصبي”

الأخطبوطات ليست مثل البشر – فهي من اللافقاريات ذات ثمانية أذرع وترتبط ارتباطًا وثيقًا بالمحار والقواقع. على الرغم من ذلك ، طورت الكلاب شبكات عصبية معقدة تحتوي على العديد من الخلايا العصبية في أدمغتها ، مما يسمح لها بإظهار مجموعة واسعة من السلوكيات المعقدة.

هذا يجعله موضوعًا مثيرًا للاهتمام للباحثين مثل ميلينا هيل ، دكتوراه ، أستاذ ويليام ريني هاربور في علم الأحياء العضوية ونائب رئيس الجامعة. جامعة شيكاغوأولئك الذين يرغبون في فهم كيف يمكن لهياكل الجهاز العصبي البديلة أن تؤدي نفس الوظائف التي تؤديها البشر ، مثل استشعار حركة المفاصل والتحكم في الحركة.

في دراسة حديثة نشرت في علم الأحياء الحالياكتشف هيل وزملاؤه ميزة جديدة ومدهشة للجهاز العصبي للأخطبوط: فهو يسمح للأخطبوط باستشعار حركة ذراعه وربط الذراعين على الجانبين المتقابلين للحيوان بالأحبال العصبية العضلية (INCs).

يوفر الاكتشاف المذهل رؤى جديدة حول كيفية تطوير أنواع اللافقاريات بشكل مستقل لأنواع عصبية معقدة. يمكن أن تلهم أيضًا الهندسة الروبوتية ، مثل الأجهزة تحت الماء الجديدة المستقلة.

تُظهر الشريحة الأفقية عند قاعدة الذراعين (المسمى A) دمج وعبور INCs عن طريق الفم (المسمى O). الائتمان: جوسبالو وآخرون. علم الأحياء الحالي2022

قال هيل: “في مختبري ، التحسس الميكانيكي واستقبال الحس العميق – كيف يتم استشعار حركة المفاصل وموضعها”. “لطالما كان يُعتقد أن هذه العناصر المكونة للحساسية هي هدف مثير للاهتمام للمساعدة في الإجابة عن الأسئلة التي يطرحها مختبرنا. حتى الآن ، لم يتم إنجاز الكثير من العمل عليها ، ولكن التجارب السابقة أشارت إلى أنها مهمة للاستخدام اليدوي. يتحكم.

بفضل دعم أبحاث رأسيات الأرجل من المختبر البيولوجي البحري ، تمكن هيل وفريقه من استخدام الأخطبوطات الصغيرة للدراسة ، وهي صغيرة بما يكفي للسماح للباحثين بتصوير الجوانب السفلية للأذرع الثمانية في وقت واحد. يسمح تتبع INCs من خلال الأنسجة للفريق بتحديد مسارها.

“يمكن أن تكون هذه الأخطبوطات بحجم النيكل أو الربع ، لذا فإن ملاءمة العينات في الاتجاه الصحيح والحصول على الزاوية الصحيحة أثناء التشريح هي عملية. [for imaging]قال آدم كوسبالو ، كبير الباحثين في جامعة شيكاغو والمؤلف الرئيسي للدراسة.

في البداية ، كان الفريق يدرس الحبال العصبية الإبطية الكبيرة في اليدين ، لكن بدأ يلاحظ أن INCs لم تتوقف عند قاعدة اليد ، بل استمرت خارج اليد إلى جسم الحيوان. وإدراكًا منهم أن القليل من العمل قد تم إجراؤه على تشريح جزيئات INC ، شرعوا في تتبع الأعصاب ، وتوقعوا أن تشكل حلقة في جسم الأخطبوط ، على غرار الحبال العصبية المحورية.

من خلال التصوير ، وجد الفريق أنه بالإضافة إلى تشغيل طول كل ذراع ، يمتد اثنان على الأقل من أربعة أجزاء من INC إلى جسم الأخطبوط ، حيث يتقاطعان مع ذراعين متجاورين ويندمجان مع INC للذراع الثالث. هذه الطريقة تعني أن جميع الأيدي متصلة بشكل متماثل.

ومع ذلك ، من الصعب تحديد كيفية عمل هذا النمط في ثمانية توزيعات ورق. “عندما قمنا بالتصوير ، ​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​ أدركنا أنهم لم يجتمعوا جميعًا كما توقعنا ، وبدا أنهم جميعًا يسيرون في اتجاهات مختلفة ، وحاولنا معرفة كيف سيبدو إذا كانت كل الأسلحة تحتوي على هذا نمط العمل؟ قال هيل: “لقد أخرجت إحدى ألعاب هؤلاء الأطفال – جهاز التنفس الصناعي – لألعب بالشكل الذي سيبدو عليه وكيف سيتواصل في النهاية. لقد تطلب الأمر الكثير من التصوير واللعب بالمخططات بينما قمنا بتدمير أدمغتنا حول ما كان يحدث قبل أن يتضح كيف تتلاءم جميعها معًا.

النتائج لم تكن ما توقعه الباحثون.

قال هيل: “نعتقد أن هذا تصميم جديد للجهاز العصبي القائم على الأطراف”. “لم نر قط شيئًا كهذا في الحيوانات الأخرى”.

لا يعرف الباحثون حتى الآن الوظيفة التي سيخدمها هذا التصميم التشريحي ، لكن لديهم بعض الأفكار.

قال هيل: “بعض الصحف القديمة شاركت في رؤى مثيرة للاهتمام”. “أظهرت دراسة من الخمسينيات أنه عندما تتلاعب بذراع بمناطق دماغية مصابة على جانب واحد من الأخطبوط ، فإن الذراع الأخرى تستجيب. لذلك تسمح هذه الأعصاب باستجابة انعكاسية أو تحكم لامركزي في السلوك. أي أننا نرى أيضًا أليافًا الخروج من الحبال العصبية عبر ممراتها إلى العضلات. ، لذلك قد تسمح باستمرار الإدراك التحسسي والتحكم الحركي على طولها.

يجري الفريق حاليًا تجارب لمعرفة ما إذا كان بإمكاننا اكتساب أفكار حول هذا السؤال من خلال تشريح فسيولوجيا INCs وهيكلها الفريد. كما أنهم يبحثون أيضًا في الجهاز العصبي لرأسيات الأرجل الأخرى ، بما في ذلك الحبار والحبار ، لمعرفة ما إذا كان لديهم نفس التشريح.

في النهاية ، يأمل هيل أنه بالإضافة إلى إلقاء الضوء على الطرق غير المتوقعة التي تصمم بها اللافقاريات نظامًا عصبيًا ، فإن فهم هذه الأنظمة سيساعد في تطوير تقنيات هندسية جديدة مثل الروبوتات.

قال هيل: “يمكن أن تكون الأخطبوطات مصدر إلهام بيولوجي لتصميم أجهزة مستقلة تحت الماء”. “فكر في أذرعهم – يمكنهم الانحناء في أي مكان ، وليس فقط عند المفاصل. يمكنهم لف أذرعهم ، وتمديدها ، وتحريك مصاصاتهم ، كل ذلك بشكل مستقل. وظيفة ذراع الأخطبوط أكثر تعقيدًا بكثير من ذراعينا ، لذا فكيف تقوم الأخطبوط بمعالجة الحواس – المعلومات الحركية والتحكم في المحركات – فهم أن الدمج يمكن أن يدعم تطوير تقنيات جديدة.

ملاحظة: آدم كوسبالو وسامانثا كودي وميلينا إي. هيل ، 28 تشرين الثاني (نوفمبر) 2022 ، “تربط الحبال العصبية المتعددة أذرع الأخطبوط ، وتوفر مسارات بديلة للإشارة بين الذراعين” علم الأحياء الحالي.
DOI: 10.1016 / j.cub.2022.11.007

تم تمويل الدراسة من قبل مكتب الولايات المتحدة للبحوث البحرية.