NatComm: В щупальцах осьминога больше нейронов, чем в мозге

Щупальца осьминогов двигаются с невероятной ловкостью, сгибаясь, скручиваясь и разгибаясь с почти бесконечным количеством степеней свободы.

Новое исследование Чикагского университета показало, что схема нервной системы, контролирующая движения щупалец осьминогов, сегментирована, что дает этим необычным существам возможность точно контролировать все восемь щупалец и сотни присосок, чтобы исследовать окружающую среду, брать предметы и захватывать добычу.

Если вы собираетесь иметь нервную систему, контролирующую столь динамичные движения, то это хороший способ ее устроить, — говорит Клифтон Рэгсдейл, доктор философии, профессор нейробиологии Университета Чикаго и старший автор исследования.

Мы думаем, что эта особенность специально развилась у мягкотелых головоногих моллюсков с присосками, чтобы осуществлять эти червеобразные движения.

Исследование опубликовано в журнале Nature Communications.

Каждое щупальце осьминога имеет массивную нервную систему: на всех восьми щупальцах сосредоточено больше нейронов, чем в мозге животного. Эти нейроны сосредоточены в большом осевом нервном шнуре (ANC), который змеится взад-вперед по мере продвижения по щупальцу, каждый изгиб которого образует расширение над каждой присоской.

Кассади Олсон, аспирантка факультета вычислительной нейронауки, возглавившая исследование, хотела проанализировать структуру ANC и его связи с мускулатурой щупалец калифорнийского двупятнистого осьминога (Octopus bimaculoides), небольшого вида, обитающего в Тихом океане у побережья Калифорнии. Она и ее соавтор Грейс Шульц, аспирантка кафедры биологии развития, регенерации и стволовых клеток, пытались рассмотреть тонкие круглые срезы щупалец под микроскопом, но образцы постоянно падали со слайдов. Тогда они попробовали рассмотреть продольные полоски щупалец и добились большего успеха, что привело к неожиданному открытию.

Используя клеточные маркеры и инструменты визуализации, чтобы проследить структуру и связи ANC, они увидели, что тела клеток нейронов упакованы в колонки, которые образуют сегменты, как гофрированная труба. Эти сегменты разделены промежутками, называемыми септами, через которые нервы и кровеносные сосуды выходят к близлежащим мышцам. Нервы из нескольких сегментов соединяются с разными участками мышц, что позволяет предположить, что сегменты работают вместе, чтобы управлять движением.

Если подумать об этом с точки зрения моделирования, то лучшим способом создать систему управления для этого очень длинного и гибкого щупальца было бы разделить ее на сегменты, — говорит Олсон.

Между сегментами должна быть какая-то связь, которая, как вы понимаете, поможет сгладить движения.

Нервы для присосок также выходят из ANC через эти септы, систематически соединяясь с внешним краем каждой присоски. Это указывает на то, что нервная система создает пространственную, или топографическую, карту каждой присоски. Осьминоги могут самостоятельно перемещать и изменять форму своих присосок. Присоски также снабжены сенсорными рецепторами, которые позволяют осьминогу ощущать вкус и запах предметов, к которым он прикасается, как будто у него щупальце с языком и носом. Исследователи полагают, что «присоскотопия», как они назвали карту, облегчает эту сложную сенсорно-моторную способность.

Чтобы выяснить, характерна ли подобная структура для других мягкотелых головоногих, Олсон также изучил длинноперого прибрежного кальмара (Doryteuthis pealeii), который распространен в Атлантическом океане. У этих кальмаров восемь щупалец с мышцами и присосками, как у осьминога, и два щупальца. Щупальца имеют длинный стебель без присосок, на конце которого находится булава с присосками. Во время охоты кальмар может вытягивать щупальца и хватать добычу булавами, оснащенными присосками.

Используя тот же процесс для изучения длинных полосок щупалец кальмара, Олсон увидел, что ANC на стеблях без присосок не сегментированы, но булавы на конце сегментированы так же, как и у осьминога. Это говорит о том, что сегментированная ANC специально создана для управления любым типом ловких, снабженных присосками придатков у головоногих моллюсков. Однако у щупалец кальмаров меньше сегментов на одну присоску, вероятно, потому, что они не используют присоски для ощущений так, как это делают осьминоги. Кальмары больше полагаются на зрение, охотясь в открытой воде, в то время как осьминоги бороздят дно океана и используют свои чувствительные щупальца в качестве инструментов для исследования.

Хотя осьминоги и кальмары произошли друг от друга более 270 миллионов лет назад, общие черты в том, как они управляют частями своих придатков с помощью присосок, и различия в тех частях, которые этого не делают, показывают, как эволюция всегда находит оптимальное решение.

Организмам с такими придатками, снабженными присосками, которые совершают червеобразные движения, необходима соответствующая нервная система, — говорит Рэгсдейл.

Разные головоногие придумали сегментарную структуру, детали которой меняются в зависимости от требований окружающей среды и давления сотен миллионов лет эволюции.

Ранее ученые выяснили, что осьминог выживает при любой температуре благодаря особому составу крови.

На фото: Octopus bimaculoides. Автор: Cassady Olson.

15.01.2025