科学家从章鱼身上发现"一种全新的神经系统设计方式"

八爪鱼与人类不同，它们是有八条手臂的无脊椎动物，与蛤蜊和蜗牛的关系更为密切。尽管如此，它们已经进化出复杂的神经系统，其神经元数量与狗的大脑一样多，使它们能够表现出广泛的复杂行为。这使得它们成为像芝加哥大学威廉-雷尼-哈珀生物教授和副教务长Melina Hale博士这样的研究人员感兴趣的课题，他们想了解替代性神经系统结构如何能够执行与人类相同的功能，如感知肢体运动和控制运动。

在最近发表在《当代生物学》上的一项研究中，Hale和她的同事们发现了章鱼神经系统的一个新的和令人惊讶的特征：一种结构使帮助章鱼感知其腕足运动的肌肉内神经索（INCs）能够连接动物的相对两侧的腕足。

这一惊人的发现为无脊椎动物物种如何独立进化出复杂的神经系统提供了新的见解。它还可以为机器人工程提供灵感，如新的自主水下设备。

在腕足基部的水平切片（标记为A）显示口腔INCs（标记为O）的汇聚和交叉。资料来源：Kuuspalu等人，《当代生物学》，2022年

"在我的实验室里，我们研究机械感觉和本体感觉--四肢的运动和定位是如何被感知的，"Hale说。"这些INCs长期以来一直被认为是本体感觉，所以它们是一个有趣的目标，有助于回答我们实验室正在问的各种问题。到目前为止，还没有关于它们的大量工作，但过去的实验表明，它们对腕足控制很重要。"

由于海洋生物实验室对头足类动物研究的支持，Hale和她的团队能够使用年轻的章鱼进行研究，这些章鱼足够小，使研究人员能够同时对所有八个腕足的底部进行成像。这使研究小组能够通过组织追踪INCs，以确定其路径。

芝加哥大学高级研究分析员、该研究的主要作者Adam Kuuspalu说："这些章鱼大约有五分钱或四分之一大小，所以在正确的方向上粘贴标本，并在切片[成像]时获得正确的角度是一个必须的过程。"

最初，研究小组正在研究腕足中较大的轴向神经线，但开始注意到INCs并没有在腕足的底部停止，而是继续从腕足中出来，进入动物的身体。让他们意识到在探索INCs的解剖学方面所做的工作很少，他们开始追踪这些神经，期望它们在章鱼体内形成一个环，类似于轴向神经索。

通过成像，研究小组确定，除了贯穿每条腕足的长度外，四条INCs中至少有两条延伸到章鱼体内，在那里它们绕过相邻的两条腕足，与第三条腕足的INCs合并。这种模式意味着所有的腕足都是对称连接的。

然而，要确定该模式如何在所有八个腕足中保持，这是一个挑战。"当我们在成像时，我们意识到，它们并不像我们预期的那样都在一起，它们似乎都在向不同的方向发展，我们试图弄清楚，如果这个模式在所有的腕足上都成立，那将如何运作？"Hale说。"我甚至拿出了那种儿童玩具--Spirograph观察它最后会如何连接。在我们绞尽脑汁思考可能发生的事情时，我们花了很多时间进行成像和玩画，然后才清楚这一切是如何结合在一起的。"

结果完全不是研究人员所期望的那样。

"我们认为这是一个基于肢体的神经系统的新设计，"Hale说。"我们还没有在其他动物身上看到过这样的东西。"

研究人员还不知道这种解剖学设计可能有什么功能，但他们有一些想法。

"一些较早的论文分享了有趣的见解，"Hale说。"20世纪50年代的一项研究表明，当你操纵大脑区域受损的章鱼一侧的腕足时，你会看到另一侧的腕足有反应。因此，可能是这些神经允许对反射性反应或行为进行分散控制。也就是说，我们还看到，纤维从神经索出去，沿着它们的道进入肌肉，所以它们也可能允许沿其长度的本体感觉反馈和运动控制的连续性。"

该团队目前正在进行实验，看看他们是否能通过解析INCs的生理学和它们的独特布局来深入了解这个问题。他们还在研究其他头足类动物的神经系统，包括乌贼和墨鱼，看看它们是否有类似的解剖结构。

最终，Hale认为，除了阐明一个无脊椎动物物种可能设计神经系统的意外方式外，了解这些系统可以帮助开发新的工程技术，如机器人。

"八爪鱼可以成为设计自主海底设备的生物灵感，"Hale说。"观察它们的腕足--它们可以在任何地方弯曲，而不仅仅是关节处。它们可以扭动，伸展腕足，并操作它们的吸盘，所有这些都是独立的。章鱼腕足的功能比我们的要复杂得多，所以了解章鱼如何整合感觉-运动信息和运动控制可以支持新技术的发展。"