Los científicos descubren una «forma completamente nueva de diseñar el sistema nervioso»

Este descubrimiento innovador proporciona nuevos conocimientos sobre la evolución de los sistemas nerviosos complejos en las especies de invertebrados y puede inspirar el desarrollo de dispositivos submarinos autónomos y otras innovaciones de ingeniería robótica.

Los pulpos no son como los humanos. son invertebrados de ocho brazos y están más estrechamente relacionados con las almejas y los caracoles. A pesar de esto, han desarrollado sistemas nerviosos complejos con tantas neuronas como el cerebro de un perro, lo que les permite mostrar una amplia gama de comportamientos complejos.

Esto los convierte en un tema interesante para investigadores como Melina Hale, Ph.D., profesora y profesora de Biología Orgánica William Rainey Harper. Universidad de Chicagoque quieran comprender cómo estructuras alternativas en el sistema nervioso pueden realizar las mismas funciones que en los humanos, como detectar el movimiento de las extremidades y controlar el movimiento.

En un estudio publicado recientemente Biología actualHaley y sus colegas descubrieron una característica nueva y sorprendente del sistema nervioso del pulpo. una estructura que permite que los cordones nerviosos intermusculares (INC) que ayudan al pulpo a sentir el movimiento de su brazo conecten los brazos en lados opuestos del animal.

El sorprendente descubrimiento proporciona nuevos conocimientos sobre cómo las especies de invertebrados evolucionaron de forma independiente sistemas nerviosos complejos. También podría servir de inspiración para la ingeniería robótica, como nuevos dispositivos submarinos autónomos.

Una capa horizontal en la base de las manos (etiquetada como A) que muestra los INC verbales (etiquetados como O) superpuestos e intersectados. Crédito: Kuuspalu et al. Biología actual2022

«En mi laboratorio, estudiamos la mecanosensación y la propiocepción, cómo se detectan el movimiento y la posición de las extremidades», dijo Haley. “Durante mucho tiempo se pensó que estos INC eran susceptibles, por lo que eran un objetivo interesante para ayudar a responder las preguntas que hace nuestro laboratorio. No se ha trabajado mucho en ellos hasta ahora, pero los experimentos anteriores han demostrado que son importantes para el control manual».

Gracias a una subvención de investigación de cefalópodos del Laboratorio de Biología Marina, Hale y su equipo pudieron usar pulpos jóvenes para el estudio que eran lo suficientemente pequeños para que los investigadores pudieran obtener imágenes de la base de los ocho brazos a la vez. Esto permitió al equipo rastrear los INC a través del tejido para determinar su camino.

“Estos pulpos tenían aproximadamente el tamaño de una moneda de cinco centavos, o tal vez una moneda de veinticinco centavos, por lo que fue un proceso de fijar las muestras en la orientación correcta y obtener el ángulo correcto durante el corte. [for imaging]dijo Adam Kuuspalu, analista de investigación sénior de UChicago y autor principal del estudio.

Inicialmente, el equipo estudió los cordones nerviosos axilares más grandes de las manos, pero comenzó a notar que los INC no se detenían en la base de la mano, sino que continuaban fuera de la mano y dentro del cuerpo del animal. Al darse cuenta de que se había hecho poco trabajo para estudiar la anatomía de los INC, comenzaron a rastrear los nervios, esperando que formaran un bucle en el cuerpo del pulpo, similar a los cordones nerviosos axilares.

Usando las imágenes, el equipo descubrió que a lo largo de cada brazo, al menos dos de los cuatro INC se extienden hacia el cuerpo del pulpo, donde pasan por alto dos brazos adyacentes y se fusionan con el INC del tercer brazo. Este patrón significa que todos los brazos están conectados simétricamente.

Sin embargo, fue difícil determinar cómo se mantendría el patrón en las ocho manos. «Mientras imaginábamos, nos dimos cuenta de que no se juntaban como esperábamos, todos parecían ir en diferentes direcciones, y estábamos tratando de averiguar qué pasaría si el patrón se mantuviera para todas las manos, como lo hizo. tendrá vamos a trabajar?» dijo Halley. “Incluso saqué uno de esos juguetes para niños, un espirógrafo, para representar cómo se vería cuando estuviera atado al final. Tomó muchas imágenes y jugar con los dibujos mientras nos devanamos los sesos sobre lo que podría pasar antes de que quedara claro cómo encajaba todo».

Los resultados no fueron en absoluto lo que los investigadores esperaban encontrar.

«Creemos que este es un nuevo diseño para un sistema nervioso basado en las extremidades», dijo Haley. «No hemos visto nada como esto en otros animales».

Los investigadores aún no saben qué función podría cumplir este diseño anatómico, pero tienen algunas ideas.

«Algunos de los documentos más antiguos compartieron ideas interesantes», dijo Haley. “Un estudio de la década de 1950 mostró que cuando manipulabas las áreas dañadas del cerebro en un lado de un pulpo, veías que los brazos respondían en el otro lado. Por lo tanto, puede ser que estos nervios permitan el control descentralizado de una respuesta o comportamiento reflejo. Dicho esto, también vemos que las fibras salen de los cordones nerviosos a lo largo de sus trayectos hacia los músculos, por lo que también pueden permitir la continuidad de la retroalimentación propioceptiva y el control motor a lo largo de su longitud».

Actualmente, el equipo está realizando experimentos para ver si pueden obtener información sobre esta pregunta mediante el análisis de la fisiología de los INC y su disposición única. También están estudiando los sistemas nerviosos de otros cefalópodos, incluidos los calamares y las sepias, para ver si comparten una anatomía similar.

En última instancia, Haley cree que, además de arrojar luz sobre las formas inesperadas en que las especies de invertebrados forman el sistema nervioso, comprender estos sistemas podría ayudar al desarrollo de nuevas tecnologías de ingeniería, como los robots.

«Los pulpos pueden ser una inspiración biológica para el diseño de dispositivos submarinos autónomos», dijo Haley. «Piensa en sus manos. pueden doblarse en cualquier lugar, no solo en las juntas. Pueden torcer, extender los brazos y operar sus ventosas, todo de forma independiente. La función del brazo de un pulpo es mucho más compleja que la nuestra, por lo que comprender cómo los pulpos integran la información sensoriomotora y controlan los movimientos podría ayudar al desarrollo de nuevas tecnologías».

Referencia. «Múltiples cordones nerviosos conectan las alas del pulpo, proporcionando vías alternativas para la señalización interbasal» por Adam Kuuspalu, Samantha Cody y Melina E. Por Hale el 28 de noviembre de 2022 Biología actual.
DOI: 10.1016/j.cub.2022.11.007

El estudio fue financiado por la Oficina de Investigación Naval de los Estados Unidos.