Gli scienziati scoprono “un modo completamente nuovo di progettare il sistema nervoso”

Questa scoperta rivoluzionaria fornisce nuove informazioni sull’evoluzione dei sistemi nervosi complessi nelle specie di invertebrati e ha il potenziale per ispirare lo sviluppo di dispositivi subacquei autonomi e altre innovazioni nell’ingegneria della robotica.

I polpi non sono come gli umani: sono invertebrati con otto braccia e strettamente imparentati con vongole e lumache. Nonostante ciò, hanno sviluppato sistemi nervosi complessi con tanti neuroni quanti sono i cervelli canini, il che ha permesso loro di mostrare un’ampia gamma di comportamenti complessi.

Questo lo rende un argomento interessante per ricercatori come Melina Hill, Ph.D., William Rennie Harper Professore di Biologia degli Organismi e Vice Cancelliere dell’Università presso Università di Chicagoche vogliono capire come le strutture del sistema nervoso alternativo possano svolgere le stesse funzioni di quelle umane, come la percezione del movimento degli arti e il controllo del movimento.

In un recente studio pubblicato su Biologia attualeQuindi, Hill e i suoi colleghi hanno scoperto una nuova sorprendente caratteristica del sistema nervoso del polpo: una struttura che consente alle corde neuromuscolari (INC), che aiutano il polpo a percepire il movimento del braccio, di connettersi alle braccia su entrambi i lati dell’animale.

La sorprendente scoperta fornisce nuove informazioni su come le specie di invertebrati si sono evolute in modo indipendente in specie neuronali complesse. Potrebbe anche fornire ispirazione per l’ingegneria robotica, come i nuovi dispositivi subacquei autonomi.

Una fetta orizzontale alla base delle braccia (etichettata A) che mostra la convergenza e l’intersezione degli INC orali (etichettata O). Credito: Kuuspalu et al. , Biologia attuale2022

“Nel mio laboratorio, studiamo la meccanosensazione e la propriocezione – come vengono percepiti il ​​​​movimento e la posizione degli arti”, ha detto Hill. “Questi INC sono stati a lungo ritenuti sensoriali, quindi sono stati un obiettivo interessante per aiutare a rispondere al tipo di domande che il nostro laboratorio si sta ponendo. Ad oggi, non è stato fatto molto lavoro su di loro, ma esperimenti precedenti hanno indicato che sono importante per il controllo del braccio.

Grazie al supporto alla ricerca sui cefalopodi fornito dal Marine Biological Laboratory, Hill e il suo team sono stati in grado di utilizzare i polipetti per lo studio, che erano abbastanza piccoli da consentire ai ricercatori di visualizzare contemporaneamente la base delle otto braccia. Ciò consente al team di tracciare gli INC attraverso i tessuti per determinare la loro traiettoria.

“Questi polpi avevano all’incirca le dimensioni di una monetina o forse un quarto, quindi è stato un processo per incollare gli esemplari nella giusta direzione e ottenere la giusta angolazione durante il taglio [for imaging]ha affermato Adam Koospalo, analista di ricerca senior presso UChicago e autore principale dello studio.

Inizialmente, il team stava studiando i cordoni nervosi assonali più grandi nelle braccia, ma ha iniziato a notare che gli INC non si fermavano alla base del braccio, ma piuttosto continuavano fuori dal braccio nel corpo dell’animale. Rendendosi conto che era stato fatto poco lavoro per esplorare l’anatomia delle molecole INC, hanno iniziato a tracciare i nervi, aspettandosi che formassero un anello nel corpo di un polpo, simile alle corde nervose assonali.

Attraverso l’imaging, il team ha determinato che oltre a percorrere la lunghezza di ciascun braccio, almeno due dei quattro cilindri si estendono nel corpo del polpo, dove aggirano i bracci adiacenti e si fondono con l’INC del terzo braccio. Questo modello significa che tutte le braccia sono collegate simmetricamente.

Tuttavia, era difficile dire come il modello avrebbe resistito su tutte e otto le braccia. “Mentre stavamo girando, ci siamo resi conto che non stavano andando tutti insieme come ci aspettavamo, sembravano andare tutti in direzioni diverse, e stavamo cercando di capire come, se lo schema è coerente per tutte le braccia, come funziona opera?” ha detto Hill. “Ho persino portato uno di questi giocattoli per bambini, lo Spirografo, per giocare con l’aspetto che avrebbe avuto e come tutto si sarebbe collegato alla fine. Ci sono volute molte riprese e giochi con la grafica mentre ci scervellavamo su cosa potrebbe accadere prima che diventasse chiaro come tutto combacia”.

I risultati non erano affatto quelli che i ricercatori si aspettavano di trovare.

“Pensiamo che questo sia un nuovo design del sistema nervoso basato sugli arti”, ha detto Hill. “Non abbiamo visto nulla di simile in altri animali”.

I ricercatori non sanno ancora quale funzione potrebbe svolgere questo disegno anatomico, ma hanno alcune idee.

“Alcuni dei vecchi documenti di ricerca hanno condiviso spunti interessanti”, ha detto Hill. Uno studio degli anni ’50 ha mostrato che quando manipoli un braccio su un lato di un polpo con regioni cerebrali danneggiate, vedrai le braccia che rispondono sull’altro lato. Pertanto questi nervi potrebbero consentire il controllo decentralizzato della risposta o del comportamento riflessivo. Tuttavia, vediamo anche che le fibre escono dai cordoni nervosi nei muscoli lungo i loro tratti, quindi possono anche consentire la continuità delle reazioni allergiche e il controllo motorio lungo la loro lunghezza. “

Il team sta attualmente conducendo esperimenti per vedere se possono ottenere informazioni su questa domanda analizzando la fisiologia degli INC e il loro design unico. Stanno anche studiando il sistema nervoso di altri cefalopodi, tra cui seppie e seppie, per vedere se condividono un’anatomia simile.

In definitiva, Hill ritiene che oltre a far luce su modi inaspettati in cui le specie di invertebrati possono progettare un sistema nervoso, la comprensione di questi sistemi potrebbe aiutare a sviluppare nuove tecnologie ingegneristiche, come la robotica.

“I polpi potrebbero essere un’ispirazione biologica per la progettazione di dispositivi autonomi sotto il mare”, ha detto Hill. “Pensa alle loro braccia: possono piegarsi ovunque, non solo alle articolazioni. Possono torcere ed estendere le braccia e azionare le loro ventose, tutto in modo indipendente. La funzione del braccio di un polpo è molto più complessa della nostra, quindi capire come si integrano i polpi le informazioni sensomotorie e il controllo del loro movimento possono supportare lo sviluppo di nuove tecnologie.

Riferimento: “Più corde nervose collegano le braccia dei polpi, fornendo percorsi alternativi per la segnalazione tra le braccia” di Adam Koospalo, Samantha Cuddy e Melina E. Hill, 28 novembre 2022, disponibile qui. Biologia attuale.
DOI: 10.1016/j.cub.2022.11.007

Lo studio è stato finanziato dall’Office of Naval Research degli Stati Uniti.