สิ่งที่ไม่คาดคิดโดยสิ้นเชิง: นักวิทยาศาสตร์ค้นพบ “วิธีใหม่ในการออกแบบระบบประสาท”

การค้นพบที่ก้าวล้ำนี้นำเสนอข้อมูลเชิงลึกใหม่เกี่ยวกับวิวัฒนาการของระบบประสาทที่ซับซ้อนในสัตว์ไม่มีกระดูกสันหลัง และมีศักยภาพที่จะสร้างแรงบันดาลใจในการพัฒนาอุปกรณ์ใต้น้ำอัตโนมัติและนวัตกรรมด้านวิศวกรรมหุ่นยนต์อื่นๆ

ปลาหมึกไม่เหมือนกับมนุษย์ พวกมันเป็นสัตว์ไม่มีกระดูกสันหลังที่มีแขนแปดข้างและมีความเกี่ยวข้องอย่างใกล้ชิดกับหอยกาบและหอยทาก อย่างไรก็ตาม พวกมันได้พัฒนาระบบประสาทที่ซับซ้อนซึ่งมีเซลล์ประสาทจำนวนมากพอๆ กับในสมองของสุนัข ทำให้พวกมันสามารถแสดงพฤติกรรมที่ซับซ้อนได้หลากหลาย

สิ่งนี้ทำให้พวกเขาเป็นหัวข้อที่น่าสนใจสำหรับนักวิจัย เช่น Melina Hale, Ph.D., William Rainey Harper ศาสตราจารย์ด้านชีววิทยาสิ่งมีชีวิต และรองศาสตราจารย์ที่ มหาวิทยาลัยชิคาโกซึ่งต้องการเข้าใจว่าโครงสร้างระบบประสาททางเลือกสามารถทำหน้าที่เช่นเดียวกับในมนุษย์ได้อย่างไร เช่น การตรวจจับการเคลื่อนไหวของแขนขาและการควบคุมการเคลื่อนไหว

ในการศึกษาล่าสุดที่เผยแพร่ใน ชีววิทยาปัจจุบันเฮลและเพื่อนร่วมงานของเธอได้ค้นพบคุณสมบัติใหม่และน่าประหลาดใจของระบบประสาทของปลาหมึก: โครงสร้างที่ช่วยให้เส้นประสาทในกล้ามเนื้อ (INCs) ซึ่งช่วยให้ปลาหมึกรับรู้ถึงการเคลื่อนไหวของแขนเพื่อเชื่อมต่อแขนกับด้านตรงข้ามของสัตว์

การค้นพบที่น่าตกใจนี้ให้ข้อมูลเชิงลึกใหม่ว่าสัตว์ไม่มีกระดูกสันหลังมีวิวัฒนาการของระบบประสาทที่ซับซ้อนอย่างอิสระได้อย่างไร นอกจากนี้ยังสามารถให้แรงบันดาลใจสำหรับวิศวกรรมหุ่นยนต์ เช่น อุปกรณ์ใต้น้ำอัตโนมัติแบบใหม่

ชิ้นแนวนอนที่ฐานของแขน (ระบุว่าเป็น A) แสดง INCs ทางปาก (ระบุว่าเป็น O) บรรจบกันและข้าม เครดิต: Kuuspalu et al., ชีววิทยาปัจจุบัน2565

“ในห้องแล็บของฉัน เราศึกษากลไกการรับรู้ความรู้สึกและการรับรู้อากัปกิริยา – วิธีการรับรู้การเคลื่อนไหวและตำแหน่งของแขนขา” เฮลกล่าว “INCs เหล่านี้เป็นที่เข้าใจกันมานานแล้วว่าเป็นการรับรู้อากัปกิริยา ดังนั้นพวกเขาจึงเป็นเป้าหมายที่น่าสนใจในการช่วยตอบคำถามประเภทต่างๆ ที่แล็บของเราถาม จนถึงตอนนี้ ยังไม่มีการดำเนินการกับพวกมันมากนัก แต่การทดลองที่ผ่านมาบ่งชี้ว่าพวกมันมีความสำคัญต่อการควบคุมแขน”

ด้วยการสนับสนุนการวิจัยปลาหมึกที่นำเสนอโดยห้องปฏิบัติการชีววิทยาทางทะเล Hale และทีมงานของเธอจึงสามารถใช้หมึกยักษ์รุ่นเยาว์ในการศึกษาได้ ซึ่งมีขนาดเล็กพอที่จะทำให้นักวิจัยสามารถถ่ายภาพฐานของแขนทั้งแปดได้ในคราวเดียว ซึ่งช่วยให้ทีมติดตาม INCs ผ่านเนื้อเยื่อเพื่อกำหนดเส้นทางได้

“หมึกยักษ์เหล่านี้มีขนาดประมาณนิกเกิลหรืออาจถึงหนึ่งในสี่ ดังนั้นจึงเป็นกระบวนการที่จะติดตัวอย่างในทิศทางที่ถูกต้องและเพื่อให้ได้มุมที่ถูกต้องระหว่างการแบ่งส่วน [for imaging]Adam Kuuspalu นักวิเคราะห์วิจัยอาวุโสของ UChicago และผู้เขียนนำในการศึกษากล่าว

ในขั้นต้น ทีมงานกำลังศึกษาเส้นประสาทแกนที่ใหญ่ขึ้นในแขน แต่เริ่มสังเกตเห็นว่า INCs ไม่ได้หยุดที่ฐานของแขน แต่เดินต่อไปที่แขนและเข้าสู่ร่างกายของสัตว์ เมื่อตระหนักว่ามีการทำงานเพียงเล็กน้อยในการสำรวจกายวิภาคของ INCs พวกเขาจึงเริ่มติดตามเส้นประสาทโดยคาดว่าพวกมันจะสร้างวงแหวนในร่างกายของปลาหมึกยักษ์ ซึ่งคล้ายกับเส้นประสาทตามแนวแกน

จากการถ่ายภาพ ทีมงานระบุว่านอกเหนือจากการวิ่งตามความยาวของแขนแต่ละข้างแล้ว INC อย่างน้อย 2 ใน 4 ตัวจะยื่นเข้าไปในลำตัวของปลาหมึกยักษ์ โดยพวกมันจะข้ามแขนทั้งสองที่อยู่ติดกันและรวมเข้ากับ INC ของแขนที่สาม รูปแบบนี้หมายความว่าแขนทั้งหมดเชื่อมต่อกันแบบสมมาตร

อย่างไรก็ตาม มันเป็นเรื่องท้าทายที่จะกำหนดว่ารูปแบบจะคงอยู่ในแขนทั้งแปดได้อย่างไร “ขณะที่เราถ่ายภาพ เราตระหนักว่าพวกมันไม่ได้มารวมกันอย่างที่เราคาดไว้ ดูเหมือนว่าพวกมันจะไปคนละทิศละทาง และเรากำลังพยายามคิดว่าถ้ารูปแบบโอบแขนทั้งหมดไว้ มันจะเป็นยังไง งาน?” เฮลกล่าว “ฉันยังหยิบของเล่นสำหรับเด็กออกมาชิ้นหนึ่ง นั่นคือ Spirograph เพื่อลองเล่นดูว่ามันจะออกมาเป็นอย่างไร และท้ายที่สุดแล้วมันจะเชื่อมโยงกันอย่างไร ต้องใช้การถ่ายภาพจำนวนมากและเล่นกับภาพวาดในขณะที่เราครุ่นคิดเกี่ยวกับสิ่งที่จะเกิดขึ้นก่อนที่มันจะชัดเจนว่ามันเข้ากันได้อย่างไร”

ผลลัพธ์ไม่ใช่สิ่งที่นักวิจัยคาดหวังเลย

“เราคิดว่านี่คือการออกแบบใหม่สำหรับระบบประสาทตามแขนขา” เฮลกล่าว “เราไม่เคยเห็นอะไรแบบนี้ในสัตว์อื่น”

นักวิจัยยังไม่ทราบว่าการออกแบบทางกายวิภาคนี้อาจทำหน้าที่อะไร แต่พวกเขามีความคิดบางอย่าง

“เอกสารเก่าบางฉบับได้แบ่งปันข้อมูลเชิงลึกที่น่าสนใจ” เฮลกล่าว “งานวิจัยชิ้นหนึ่งจากปี 1950 แสดงให้เห็นว่าเมื่อคุณขยับแขนข้างหนึ่งของปลาหมึกยักษ์ที่มีบริเวณสมองที่มีรอยโรค คุณจะเห็นแขนอีกข้างหนึ่งตอบสนอง ดังนั้นจึงอาจเป็นไปได้ว่าเส้นประสาทเหล่านี้ช่วยให้สามารถควบคุมการตอบสนองหรือพฤติกรรมแบบสะท้อนกลับได้แบบกระจายอำนาจ ที่กล่าวว่า เรายังเห็นว่าเส้นใยออกจากเส้นประสาทไปยังกล้ามเนื้อตามทางเดิน ดังนั้นพวกเขายังอาจช่วยให้มีการป้อนกลับ proprioceptive และการควบคุมมอเตอร์อย่างต่อเนื่องตามความยาวของมัน”

ขณะนี้ทีมกำลังทำการทดลองเพื่อดูว่าพวกเขาสามารถได้รับข้อมูลเชิงลึกเกี่ยวกับคำถามนี้หรือไม่โดยแยกวิเคราะห์สรีรวิทยาของ INC และรูปแบบเฉพาะของพวกเขา พวกเขากำลังศึกษาระบบประสาทของปลาหมึกชนิดอื่นๆ เช่น ปลาหมึกและปลาหมึก เพื่อดูว่าพวกมันมีลักษณะทางกายวิภาคคล้ายคลึงกันหรือไม่

ท้ายที่สุดแล้ว Hale เชื่อว่านอกเหนือจากการให้ความกระจ่างถึงวิธีที่สัตว์ไม่มีกระดูกสันหลังอาจออกแบบระบบประสาทที่คาดไม่ถึงแล้ว การทำความเข้าใจระบบเหล่านี้สามารถช่วยในการพัฒนาเทคโนโลยีเชิงวิศวกรรมใหม่ๆ เช่น หุ่นยนต์

“ปลาหมึกยักษ์สามารถเป็นแรงบันดาลใจทางชีวภาพสำหรับการออกแบบอุปกรณ์ใต้ทะเลอัตโนมัติ” เฮลกล่าว “คิดถึงแขนของพวกมัน พวกมันงอได้ทุกที่ ไม่ใช่แค่ที่ข้อต่อ พวกมันสามารถบิด ยืดแขน และใช้ดูดนมได้อย่างอิสระ การทำงานของแขนปลาหมึกนั้นซับซ้อนกว่าของเรามาก ดังนั้นการทำความเข้าใจว่าปลาหมึกรวมข้อมูลประสาทสัมผัส-มอเตอร์และการควบคุมการเคลื่อนไหวอย่างไรจึงสามารถสนับสนุนการพัฒนาเทคโนโลยีใหม่ๆ ได้”

เอกสารอ้างอิง: “เส้นประสาทหลายเส้นเชื่อมต่อแขนของปลาหมึก ทำให้มีทางเลือกอื่นสำหรับการส่งสัญญาณระหว่างแขน” โดย Adam Kuuspalu, Samantha Cody และ Melina E. Hale, 28 พฤศจิกายน 2022, ชีววิทยาปัจจุบัน.
ดอย: 10.1016/j.cub.2022.11.007

การศึกษาได้รับทุนจากสำนักงานวิจัยกองทัพเรือแห่งสหรัฐอเมริกา