科学者は「神経系を設計するまったく新しい方法」を発見

この画期的な発見は、無脊椎動物種の複雑な神経系の進化に関する新しい洞察を提供し、自律的な水中デバイスの開発やロボット工学におけるその他の革新を刺激する可能性を秘めています。

タコは人間とは異なり、8本の腕を持つ無脊椎動物で、アサリやカタツムリと近縁です。 それにもかかわらず、彼らは犬の脳と同じくらい多くのニューロンを備えた複雑な神経系を進化させてきたため、さまざまな複雑な行動を示すことができました.

これは、メリナ・ヒル博士、生物生物学のウィリアム・レニー・ハーパー教授、大学副学長などの研究者にとって興味深いトピックです。 シカゴ大学、代替神経系構造が、手足の動きの感知や動きの制御など、人間と同じ機能をどのように実行できるかを理解したい.

に発表された最近の研究では、 現在の生物学その後、ヒルと彼女の同僚は、タコの神経系の驚くべき新しい特徴を発見しました。それは、タコが腕の動きを感知するのを助ける神経筋コード (INC) が動物の両側の腕に接続できるようにする構造です。

この驚くべき発見は、無脊椎動物がどのようにして独立して複雑な神経細胞種を進化させたかについての新しい洞察を提供します。 また、新しい自律型水中デバイスなどのロボット工学にもインスピレーションを与える可能性があります。

腕の付け根の水平スライス (A のラベル) は、口腔 INC の収束と交差 (O のラベル) を示しています。 クレジット: Kuuspalu et al. 、 現在の生物学、2022

「私の研究室では、機械感覚と固有受容、つまり四肢の動きと位置がどのように感知されるかを研究しています」と Hill 氏は述べています。 「これらのINCは長い間感覚的であると考えられてきたので、私たちの研究室が求めている種類の質問に答えるのに役立つ興味深いターゲットでした.今日まで、それらについてはあまり研究が行われていませんが、以前の実験では、それらがアームコントロールにとって重要です。」

海洋生物学研究所が提供した頭足類の研究支援のおかげで、Hill 氏と彼女のチームは研究に十分小さいタコの赤ちゃんを使用することができました。 これにより、チームは組織を介して INC を追跡し、INC の軌道を決定できます。

「これらのタコは約 5 セント硬貨か 4 分の 1 ほどの大きさだったので、標本を正しい方向に接着し、スライスしながら正しい角度を得るためのプロセスでした。 [for imaging]UChicago のシニア リサーチ アナリストであり、この研究の筆頭著者である Adam Koospalo 氏は、次のように述べています。

当初、チームは腕のより大きな軸索神経索を研究していましたが、INCが腕の付け根で止まらず、腕から動物の体に続いていることに気付き始めました. 彼らは、INC の解剖学的構造を調査する作業がほとんど行われていないことに気づき、軸索神経索と同様に、タコの体内で神経がループを形成することを期待して、神経の追跡を開始しました。

イメージングを通じて、チームは、各腕の長さを実行することに加えて、4 つのシリンダーのうち少なくとも 2 つがタコの体に伸び、隣接する腕を迂回して 3 番目の腕の INC と融合することを確認しました。 このパターンは、すべての腕が対称的に接続されていることを意味します。

しかし、このパターンが 8 本のアームすべてにどのように適用されるかを判断するのは困難でした。 「撮影中に、すべてが予想どおりにまとまっていないことに気付きました。それらはすべて異なる方向に向かっているように見えました。すべての腕のパターンがどのように一貫しているか、どのように一貫しているかを理解しようとしていました。仕事？” ヒルは言った。 「スピログラフという子供のおもちゃの 1 つを持ってきて、それがどのように見えるか、そして最終的にすべてがどのように接続されるかを試してみました。何をするかについて頭を悩ませながら、多くの撮影とグラフィックでの遊びが必要でした。すべてがどのように組み合わされるかが明らかになる前に、起こる可能性があります.

結果は、研究者が期待していたものとはまったく異なりました。

「これは、手足に基づいた斬新な神経系の設計だと考えています」と Hill 氏は述べています。 「他の動物でこのようなことは見たことがありません。」

研究者たちは、この解剖学的デザインがどのような機能を果たすのかまだわかっていませんが、いくつかのアイデアがあります.

「古い研究論文のいくつかは、興味深い洞察を共有しています」とヒルは言いました。 1950 年代のある研究では、脳領域が損傷したタコの片側の腕を操作すると、反対側の腕が反応することが示されました。 したがって、これらの神経は、反射反応または行動の分散制御を可能にする可能性があります。 しかし、繊維が神経索から出て、その経路に沿って筋肉に入るのも見られるため、繊維の長さに沿ってアレルギー反応と運動制御の継続性も可能になる可能性があります. “

チームは現在、生理学とINCの独自のマッピングを分析することで、この問題への洞察を得ることができるかどうかを確認するための実験を行っています. 彼らはまた、コウイカやコウイカを含む他の頭足類の神経系も研究しており、それらが同様の解剖学的構造を共有しているかどうかを確認しています。

最終的に、Hill は、無脊椎動物種が神経系を設計する可能性のある予想外の方法に光を当てることに加えて、これらのシステムを理解することは、ロボット工学などの新しい工学技術の開発に役立つ可能性があると考えています。

「タコは、海中の自律型デバイスの設計における生物学的なインスピレーションになる可能性があります」とヒル氏は述べています。 「タコの腕を考えてみてください。関節だけでなく、どこでも曲げることができます。腕をひねったり伸ばしたり、吸盤を操作したりできますが、すべて独立しています。タコの腕の機能は人間の腕よりもはるかに複雑です。タコがどのように統合されるかを理解することは、感覚運動情報とその動きの制御は、新しい技術の開発をサポートできます。」

参照: 「複数の神経索がタコの腕を接続し、腕間のシグナル伝達のための代替経路を提供します」Adam Koospalo、Samantha Cuddy、Melina E. Hill、2022 年 11 月 28 日、こちらから入手可能。 現在の生物学.
DOI: 10.1016/j.cub.2022.11.007

この研究は、米国海軍研究局によって資金提供されました。