章鱼的手臂会自己思考 科学家揭示其工作原理

章鱼的手臂表现出非凡的灵巧性，能够弯曲、扭转和卷曲，运动范围几乎无限。 芝加哥大学的研究人员发现，控制这些动作的神经系统是分节的。 这种专门的电路使章鱼能够精确地控制它们的八只手臂和数百个吸盘，使它们能够探索周围环境、操纵物体并异常精确地捕捉猎物。

章鱼的手臂利用分节神经系统对吸盘进行精确运动和感官控制，形成了一种被称为"吸盘视图"的空间地图。 研究发现，乌贼的触手俱乐部也有类似的结构，但在非吸盘区域却不存在，这反映了乌贼在进化过程中对不同环境的适应。 资料来源：Cassady Olson

章鱼的每条手臂上都有一条巨大的神经索，这条神经索被分成若干节，可以精确地控制章鱼的运动，并形成章鱼吸盘的空间分布图。

芝加哥大学神经生物学教授、该研究的资深作者克利夫顿-拉格斯代尔博士说："如果你要拥有一个控制如此动态运动的神经系统，这是一个很好的设置方法。我们认为，这是软体头足类动物专门进化出的一个特征，它们带有吸盘，可以进行这些类似蠕虫的运动。"

该研究最近发表在Nature Communications上。

章鱼的每条手臂都有一个庞大的神经系统，八条手臂上的神经元总和比章鱼大脑中的神经元还多。 这些神经元都集中在一条巨大的轴神经索（ANC）中，这条神经索沿着手臂来回蜿蜒，每一个弯曲都会在每个吸盘上形成一个增大点。

章鱼 bimaculoides

领导这项研究的计算神经科学专业研究生卡萨迪-奥尔森（Cassady Olson）希望分析ANC的结构及其与加州双点章鱼（Octopus bimaculoides）手臂肌肉组织的联系，加州双点章鱼是一种原产于加利福尼亚海岸附近太平洋的小型物种。 她和她的合著者、发育、再生和干细胞生物学专业的研究生格蕾丝-舒尔茨（Grace Schulz）试图在显微镜下观察手臂的薄圆形横截面，但样本总是从载玻片上掉下来。 他们试着将手臂纵向切成条状，结果运气更好，这让他们有了一个意想不到的发现。

章鱼腕足的动作灵巧得令人难以置信，弯曲、扭转和卷曲的自由度几乎无限大。 图片来源：Cassady Olson

通过使用细胞标记和成像工具来追踪 ANC 的结构和连接，他们发现神经元细胞体被挤压成柱状，形成像波纹管一样的片段。 这些节段被称为隔膜的缝隙分隔开来，神经和血管从这些缝隙通向附近的肌肉。 来自多个节段的神经连接到肌肉的不同区域，这表明这些节段共同控制运动。

奥尔森说："从建模的角度考虑，为这种非常长而灵活的手臂建立控制系统的最佳方法是将其分成若干段。分段之间必须有某种交流，你可以想象这将有助于平滑运动。"

吸盘的神经也通过这些隔膜从ANC流出，系统地连接到每个吸盘的外缘。 这表明神经系统为每个吸盘绘制了空间或地形图。 章鱼可以独立移动和改变吸盘的形状。 吸盘上还布满了感官受体，使章鱼能够品尝和嗅闻触碰过的东西，就像手与舌头和鼻子的结合。 研究人员认为，他们所称的"吸盘视图"促进了这种复杂的感官运动能力。

为了弄清这种结构是否常见于其他软体头足类动物，奥尔森还研究了大西洋中常见的长鳍近海鱿鱼（Doryteuthis pealeii）。 这种乌贼有八只手臂，像章鱼一样有肌肉和吸盘，另外还有两个触手。 触手有一根没有吸盘的长柄，末端有一根带有吸盘的棍棒。 捕食时，乌贼可以伸出触手，用带有吸盘的棍棒抓住猎物。

奥尔森用同样的方法研究了乌贼的长条触手，他发现没有吸盘的触手柄中的ANC没有分节，但末端的棍棒却与章鱼一样分节。 这表明，分节 ANC 是专门为控制头足类中任何类型的灵巧、带吸盘的附肢而设计的。 不过，乌贼触手棒每个吸盘的分节较少，这可能是因为它们不像章鱼那样利用吸盘来感觉。 乌贼在开阔水域捕食时更多地依靠视觉，而章鱼则在海底游荡，并用灵敏的臂作为探索工具。

虽然章鱼和乌贼是在 2.7 亿多年前分化而来的，但它们用吸盘控制部分附肢的方式存在共性，而没有吸盘的部分则存在差异，这表明进化总是能够找到最佳解决方案。

拉格斯代尔说："拥有这些带有吸盘的附肢并能像蠕虫一样运动的生物需要合适的神经系统。不同的头足类已经形成了一种分节结构，其细节因环境的需求和数亿年进化的压力而有所不同。"

编译自/scitechdaily