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 tiene el potencial de inspirar el desarrollo de dispositivos submarinos autónomos y otras innovaciones en ingeniería robótica.

Los pulpos no son como los humanos: son invertebrados con ocho brazos y están estrechamente relacionados con las almejas y los caracoles. A pesar de esto, han desarrollado sistemas nerviosos complejos con tantas neuronas como cerebros caninos, lo que les ha permitido mostrar una amplia gama de comportamientos complejos.

Esto lo convierte en un tema interesante para investigadores como Melina Hill, Ph.D., Profesor William Rennie Harper de Biología de Organismos y Vicecanciller de la Universidad en Universidad de Chicagoque quieren comprender cómo las estructuras alternativas del sistema nervioso pueden realizar las mismas funciones que las de los humanos, como detectar el movimiento de las extremidades y controlar el movimiento.

En un estudio reciente publicado en Biología actualLuego, Hill y sus colegas descubrieron una característica nueva y sorprendente del sistema nervioso del pulpo: una estructura que permite que los cordones neuromusculares (INC), que ayudan al pulpo a sentir el movimiento de sus brazos, se conecten a los brazos a ambos lados del animal.

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

Un corte horizontal en la base de los brazos (etiquetados como A) que muestra la convergencia y la intersección de los INC orales (etiquetados como O). 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 Hill. “Durante mucho tiempo se pensó que estos INC eran sensoriales, por lo que han sido un objetivo interesante para ayudar a responder el tipo de preguntas que hace nuestro laboratorio. Hasta la fecha, no se ha trabajado mucho en ellos, pero experimentos anteriores han indicado que son importante para el control del brazo.”

Gracias al apoyo de investigación de cefalópodos proporcionado por el Laboratorio de Biología Marina, Hill y su equipo pudieron usar pulpos bebés para el estudio, que eran lo suficientemente pequeños como para permitir a los investigadores obtener imágenes de la base de los ocho brazos a la vez. Esto permite al equipo rastrear los INC a través del tejido para determinar su trayectoria.

“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 pegar los especímenes en la dirección correcta y obtener el ángulo correcto mientras se rebanaban. [for imaging]dijo Adam Koospalo, analista de investigación senior de UChicago y autor principal del estudio.

Inicialmente, el equipo estaba estudiando los cordones nerviosos axonales más grandes en los brazos, pero comenzaron a notar que los INC no se detenían en la base del brazo, sino que continuaban fuera del brazo hacia el cuerpo del animal. Al darse cuenta de que se había hecho poco trabajo explorando 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 axonales.

A través de imágenes, el equipo determinó que además de recorrer la longitud de cada brazo, al menos dos de los cuatro cilindros se extienden hacia el cuerpo del pulpo, donde pasan por alto los brazos adyacentes y se fusionan con el INC del tercer brazo. Este patrón significa que todos los brazos están conectados simétricamente.

Sin embargo, era difícil decir cómo se mantendría el patrón en los ocho brazos. “Mientras filmábamos, nos dimos cuenta de que no se juntaban como esperábamos, todos parecían ir en diferentes direcciones, y estábamos tratando de averiguar cómo, si el patrón es consistente para todos los brazos, ¿cómo ¿trabajar?” dijo Hill. “Incluso traje uno de estos juguetes para niños, el Spirograph, para jugar con cómo se vería y cómo se conectaría todo al final. Tomó mucho filmar y jugar con los gráficos mientras nos devanamos los sesos sobre qué podría suceder antes de que quedara claro cómo encaja todo”.

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

“Creemos que este es un nuevo diseño de sistema nervioso basado en extremidades”, dijo Hill. “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 trabajos de investigación más antiguos han compartido ideas interesantes”, dijo Hill. Un estudio de la década de 1950 mostró que cuando manipulas un brazo de un lado de un pulpo con regiones cerebrales dañadas, verás que los brazos responden del otro lado. Por lo tanto, estos nervios podrían permitir un control descentralizado de la respuesta o el comportamiento reflexivo. Sin embargo, también vemos que las fibras salen de los cordones nerviosos hacia los músculos a lo largo de sus tractos, por lo que también pueden permitir la continuidad de las reacciones alérgicas 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 y el mapeo único de los INC. También están estudiando el sistema nervioso de otros cefalópodos, incluidas las sepias y sepias, para ver si comparten una anatomía similar.

En última instancia, Hill cree que además de arrojar luz sobre las formas inesperadas en que las especies de invertebrados pueden diseñar un sistema nervioso, comprender estos sistemas podría ayudar a desarrollar nuevas tecnologías de ingeniería, como la robótica.

“Los pulpos podrían ser una inspiración biológica para el diseño de dispositivos autónomos bajo el mar”, dijo Hill. “Piense en sus brazos: pueden doblarse en cualquier lugar, no solo en las articulaciones. Pueden torcer y extender sus brazos y operar sus ventosas, todo de forma independiente. La función del brazo de un pulpo es mucho más compleja que la nuestra, así que comprender cómo se integran los pulpos la información sensoriomotora y el control de su movimiento pueden apoyar el desarrollo de nuevas tecnologías”.

Referencia: “Múltiples cordones nerviosos conectan los brazos de los pulpos, proporcionando vías alternativas para la señalización entre los brazos” Por Adam Koospalo, Samantha Cuddy y Melina E. Hill, 28 de noviembre de 2023, disponible aquí. Biología actual.
DOI: 10.1016/j.cub.2022.11.007

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