八爪魚與人類不同，它們是有八條手臂的無脊椎動(dòng)物，與蛤蜊和蝸牛的關(guān)系更為密切。盡管如此，它們已經(jīng)進(jìn)化出復(fù)雜的神經(jīng)系統(tǒng)，其神經(jīng)元數(shù)量與狗的大腦一樣多，使它們能夠表現(xiàn)出廣泛的復(fù)雜行為。這使得它們成為像芝加哥大學(xué)威廉·雷尼·哈珀生物學(xué)教授和副教務(wù)長梅琳娜·希爾博士這樣的研究人員感興趣的課題，他們想了解替代性神經(jīng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如何能夠執(zhí)行與人類相同的功能，如感知肢體運(yùn)動(dòng)和控制運(yùn)動(dòng)。

在最近發(fā)表在《當(dāng)代生物學(xué)》上的一項(xiàng)研究中，希爾和她的同事們發(fā)現(xiàn)了章魚神經(jīng)系統(tǒng)的一個(gè)新的和令人驚訝的特征：一種結(jié)構(gòu)幫助章魚感知其腕足運(yùn)動(dòng)的肌肉內(nèi)神經(jīng)索（INCs）能夠連接動(dòng)物的相對兩側(cè)的腕足。

這一驚人的發(fā)現(xiàn)為無脊椎動(dòng)物物種如何獨(dú)立進(jìn)化出復(fù)雜的神經(jīng)系統(tǒng)提供了新的見解。它還可以為機(jī)器人工程提供靈感，如新的自主水下設(shè)備。

“在我的實(shí)驗(yàn)室里，我們研究機(jī)械感覺和本體感覺——四肢的運(yùn)動(dòng)和定位是如何被感知的。”希爾說，“這些INCs長期以來一直被認(rèn)為是本體感覺，所以它們是一個(gè)有趣的目標(biāo)，有助于回答我們實(shí)驗(yàn)室正在問的各種問題。到目前為止，還沒有關(guān)于它們的大量工作，但過去的實(shí)驗(yàn)表明，它們對腕足控制很重要。”

由于海洋生物實(shí)驗(yàn)室對頭足類動(dòng)物研究的支持，希爾和她的團(tuán)隊(duì)能夠使用年輕的章魚進(jìn)行研究，這些章魚足夠小，使研究人員能夠同時(shí)對所有八個(gè)腕足的底部進(jìn)行成像。這使研究小組能夠通過組織追蹤INCs，以確定其路徑。

芝加哥大學(xué)高級研究分析員、該研究的主要作者Adam Kuuspalu說：“這些章魚大約有硬幣大小，所以在正確的方向上粘貼標(biāo)本，并在切片成像時(shí)獲得正確的角度是一個(gè)必需的過程。”

最初，研究小組正在研究腕足中較大的軸向神經(jīng)線，但開始注意到INCs并沒有在腕足的底部停止，而是繼續(xù)從腕足中出來，進(jìn)入動(dòng)物的身體。讓他們意識(shí)到在探索INCs的解剖學(xué)方面所做的工作很少，他們開始追蹤這些神經(jīng)，期望它們在章魚體內(nèi)形成一個(gè)環(huán)，類似于軸向神經(jīng)索。

通過成像，研究小組確定，除了貫穿每條腕足的長度外，四條INCs中至少有兩條延伸到章魚體內(nèi)，在那里它們繞過相鄰的兩條腕足，與第三條腕足的INCs合并。這種模式意味著所有的腕足都是對稱連接的。

然而，要確定該模式如何在所有八個(gè)腕足中保持，這是一個(gè)挑戰(zhàn)。“當(dāng)我們在成像時(shí)，我們意識(shí)到，它們并不像我們預(yù)期的那樣都在一起，它們似乎都在向不同的方向發(fā)展，我們試圖弄清楚，如果這個(gè)模式在所有的腕足上都成立，那將如何運(yùn)作？”希爾說。“我甚至拿出了那種兒童玩具——萬花尺觀察它最后會(huì)如何連接。在我們絞盡腦汁思考可能發(fā)生的事情時(shí)，我們花了很多時(shí)間進(jìn)行成像和畫圖，然后才清楚這一切是如何結(jié)合在一起的。”

結(jié)果完全不是研究人員所期望的那樣。

“我們認(rèn)為這是一個(gè)基于肢體的神經(jīng)系統(tǒng)的新設(shè)計(jì)，”Hale說，“我們還沒有在其他動(dòng)物身上看到過這樣的東西。”

研究人員還不知道這種解剖學(xué)設(shè)計(jì)可能有什么功能，但他們有一些想法。

“一些較早的論文分享了有趣的見解，”希爾說，“20世紀(jì)50年代的一項(xiàng)研究表明，當(dāng)你操縱大腦區(qū)域受損的章魚一側(cè)的腕足時(shí)，你會(huì)看到另一側(cè)的腕足有反應(yīng)。因此，可能是這些神經(jīng)允許對反射性反應(yīng)或行為進(jìn)行分散控制。也就是說，我們還看到，纖維從神經(jīng)索出去，沿著它們的通道進(jìn)入肌肉，所以它們也可能允許沿其長度的本體感覺反饋和運(yùn)動(dòng)控制的連續(xù)性。”

該團(tuán)隊(duì)目前正在進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，看看他們是否能通過解析INCs的生理學(xué)和它們的獨(dú)特布局來深入了解這個(gè)問題。他們還在研究其他頭足類動(dòng)物的神經(jīng)系統(tǒng)，包括烏賊和墨魚，看看它們是否有類似的解剖結(jié)構(gòu)。

最終，希爾認(rèn)為，除了闡明一個(gè)無脊椎動(dòng)物物種可能涉及神經(jīng)系統(tǒng)的意外方式外，了解這些系統(tǒng)可以幫助開發(fā)新的工程技術(shù)，如機(jī)器人。

“八爪魚可以成為設(shè)計(jì)自主海底設(shè)備的生物靈感，”希爾說，“觀察它們的腕足——它們可以在任何地方彎曲，而不僅僅是關(guān)節(jié)處。它們可以扭動(dòng)，伸展腕足，并操作它們的吸盤，所有這些都是獨(dú)立的。章魚腕足的功能比我們的要復(fù)雜得多，所以了解章魚如何整合感覺-運(yùn)動(dòng)信息和運(yùn)動(dòng)控制可以支持新技術(shù)的發(fā)展。”