A tudósok „teljesen új módszert fedeztek fel az idegrendszer tervezésére”

A polipok nem olyanok, mint az emberek – gerinctelenek nyolc karral, és közeli rokonságban állnak a kagylókkal és a csigákkal. Ennek ellenére összetett idegrendszert fejlesztettek ki, annyi idegsejttel, mint a kutyaagy, ami lehetővé tette számukra, hogy összetett viselkedésmódok széles skáláját mutatják be.

Ez érdekes témává teszi olyan kutatók számára, mint Melina Hill, Ph.D., William Rennie Harper, az élőlények biológiájának professzora és az egyetem rektorhelyettese Chicagói Egyetemakik szeretnék megérteni, hogy az alternatív idegrendszeri struktúrák hogyan képesek ugyanazokat a funkciókat ellátni, mint az emberekben, mint például a végtagok mozgásának érzékelése és a mozgás szabályozása.

Egy nemrégiben megjelent tanulmányban Aktuális biológiaEzután Hill és kollégái felfedezték a polip idegrendszerének egy meglepő új tulajdonságát: egy olyan szerkezetet, amely lehetővé teszi, hogy a neuromuszkuláris zsinórok (INC) csatlakozzanak az állat mindkét oldalán lévő karokhoz, amelyek segítik a polipnak a kar mozgását.

A megdöbbentő felfedezés új betekintést nyújt abba, hogy a gerinctelen fajok egymástól függetlenül hogyan alakultak ki összetett idegsejtek. Inspirációt adhat a robottechnika, például az új autonóm víz alatti eszközök számára is.

Egy vízszintes szelet a karok alján (A jelzéssel), amely az orális INC-k konvergenciáját és metszéspontját mutatja (O jelzéssel). Köszönetnyilvánítás: Kuuspalu et al. , Aktuális biológia2022

„Az én laboromban a mechanoszenzációt és a propriocepciót tanulmányozzuk – hogyan érzékelik a végtagok mozgását és helyzetét” – mondta Hill. „Ezekről az INC-kről régóta azt gondolták, hogy szenzorosak, ezért érdekes célpontot jelentenek a laboratóriumunk által feltett kérdések megválaszolásában. A mai napig nem sokat dolgoztak rajtuk, de a korábbi kísérletek azt mutatták, hogy fontos a karszabályozás szempontjából.”

A Marine Biological Laboratory által nyújtott lábasfejű kutatási támogatásnak köszönhetően Hill és csapata bébi polipokat tudott használni a vizsgálathoz, amelyek elég kicsik voltak ahhoz, hogy a kutatók egyszerre leképezhessék a nyolc kar tövét. Ez lehetővé teszi a csapat számára, hogy nyomon kövesse az INC-ket a szöveten keresztül, hogy meghatározza pályájukat.

„Ezek a polipok körülbelül egy nikkel vagy egy negyed méretűek voltak, tehát ez egy olyan folyamat volt, amely során a mintákat a megfelelő irányba ragasztottuk, és a megfelelő szöget beállítottuk szeletelés közben. [for imaging]mondta Adam Koospalo, az UChicago vezető kutatói elemzője és a tanulmány vezető szerzője.

Kezdetben a csapat a karok nagyobb axonális idegzsinórjait tanulmányozta, de kezdték észrevenni, hogy az INC-k nem állnak meg a kar tövénél, hanem a karból kifelé haladnak az állat testébe. Felismerve, hogy kevés munkát végeztek az INC-k anatómiájának feltárásával, elkezdték nyomon követni az idegeket, és arra számítottak, hogy az axonális idegszálakhoz hasonló hurkot képeznek a polip testében.

A képalkotás során a csapat megállapította, hogy amellett, hogy mindkét kar hosszában fut, a négy henger közül legalább kettő benyúlik a polip testébe, ahol megkerülik a szomszédos karokat, és egyesülnek a harmadik kar INC-jével. Ez a minta azt jelenti, hogy az összes kar szimmetrikusan kapcsolódik.

Nehéz volt azonban megmondani, hogy a minta hogyan marad meg mind a nyolc karban. „A forgatás közben rájöttünk, hogy nem úgy jönnek össze, ahogy vártuk, úgy tűnt, hogy mindannyian különböző irányba haladnak, és megpróbáltuk kitalálni, hogyan működik, ha a minta minden karra egységes. munka?” – mondta Hill. „Még egy ilyen gyerekjátékot is hoztam – a Spirográfot –, hogy játsszam vele, hogy fog kinézni, és hogyan fog minden összekapcsolódni a végén. Sok filmezés és játék kellett a grafikával, miközben azon törtük a fejünket, hogy mit megtörténhet, mielőtt világossá válna, hogy mindez hogyan illeszkedik egymáshoz.”

Az eredmények egyáltalán nem olyanok voltak, mint amire a kutatók számítottak.

„Úgy gondoljuk, hogy ez egy új, végtag-alapú idegrendszeri terv” – mondta Hill. – Más állatoknál nem láttunk ehhez hasonlót.

A kutatók még nem tudják, milyen funkciót tölthet be ez az anatómiai kialakítás, de vannak elképzeléseik.

„Néhány régebbi kutatási cikk érdekes meglátásokat osztott meg” – mondta Hill. Egy, az 1950-es évekből származó tanulmány kimutatta, hogy amikor egy sérült agyterületű polip egyik oldalán lévő karral manipulálunk, látni fogja, hogy a karok reagálnak a másik oldalon. Ezért ezek az idegek lehetővé tehetik a reflexiós válasz vagy viselkedés decentralizált szabályozását. Ugyanakkor azt is látjuk, hogy a rostok az idegszálakból az izmokba jutnak ki a pályájuk mentén, így lehetővé tehetik az allergiás reakciók folyamatosságát és a motoros szabályozást a hosszuk mentén. „

A csapat jelenleg kísérleteket végez annak kiderítésére, hogy betekintést nyerhetnek-e ebbe a kérdésbe az INC-k fiziológiájának és egyedi feltérképezésének elemzésével. Tanulmányozzák más lábasfejűek, köztük a tintahalak és a tintahalak idegrendszerét is, hogy kiderüljön, hasonló anatómiájuk van-e.

Végül Hill úgy véli, hogy amellett, hogy rávilágít azokra a váratlan módokra, amelyekkel a gerinctelen fajok idegrendszert tervezhetnek, ezeknek a rendszereknek a megértése segíthet új mérnöki technológiák, például a robotika kifejlesztésében.

„A polipok biológiai inspirációt jelenthetnek a tenger alatti autonóm eszközök tervezésében” – mondta Hill. „Gondoljunk csak a karjukra – bárhol meghajolhatnak, nem csak az ízületeknél. Megcsavarhatják és kinyújthatják a karjukat, és működtethetik a balekokat, mindezt függetlenül. A polip karjának funkciója sokkal összetettebb, mint a miénk, így a polipok integrálódásának megértése szenzomotoros információk és mozgásuk vezérlése támogathatja az új technológiák fejlesztését.”

Hivatkozás: „Több idegzsinór köti össze a polipok karjait, alternatív utakat biztosítva a karok közötti jelzésekhez” – Adam Koospalo, Samantha Cuddy és Melina E. Hill, 2022. november 28., elérhető itt. Aktuális biológia.
DOI: 10.1016/j.cub.2022.11.007

A tanulmányt az Egyesült Államok Tengerészeti Kutatási Hivatala finanszírozta.