Cientistas descobrem ‘maneira completamente nova de projetar o sistema nervoso’

Esta descoberta inovadora fornece novos insights sobre a evolução de sistemas nervosos complexos em espécies de invertebrados e tem o potencial de inspirar o desenvolvimento de dispositivos subaquáticos autônomos e outras inovações em engenharia robótica.

Os polvos não são como os humanos – são invertebrados com oito braços e intimamente relacionados com amêijoas e caracóis. Apesar disso, eles desenvolveram sistemas nervosos complexos com tantos neurônios quanto cérebros caninos, o que lhes permitiu exibir uma ampla gama de comportamentos complexos.

Isso o torna um tópico interessante para pesquisadores como Melina Hill, Ph.D., William Rennie Harper, professor de Biologia de Organismos e vice-chanceler da Universidade em Universidade de Chicagoque querem entender como as estruturas alternativas do sistema nervoso podem desempenhar as mesmas funções que as dos humanos, como sentir o movimento dos membros e controlar o movimento.

Em um estudo recente publicado na biologia atualEntão, Hill e seus colegas descobriram uma nova característica surpreendente do sistema nervoso do polvo: uma estrutura que permite que os cordões neuromusculares (INCs), que ajudam o polvo a sentir o movimento do braço, se conectem aos braços de cada lado do animal.

A descoberta surpreendente fornece novos insights sobre como as espécies de invertebrados evoluíram independentemente espécies neuronais complexas. Também poderia fornecer inspiração para a engenharia robótica, como novos dispositivos subaquáticos autônomos.

Um corte horizontal na base dos braços (rotulado A) mostrando a convergência e a interseção dos INCs orais (rotulado O). Crédito: Kuuspalu et al. , biologia atual2022

“No meu laboratório, estudamos a mecanosensação e a propriocepção – como o movimento e a posição dos membros são sentidos”, disse Hill. “Há muito se pensa que esses INCs são sensoriais, então eles têm sido um alvo interessante para ajudar a responder aos tipos de perguntas que nosso laboratório está fazendo. Até o momento, não foi feito muito trabalho sobre eles, mas experimentos anteriores indicaram que eles são importante para o controle do braço.”

Graças ao apoio à pesquisa de cefalópodes fornecido pelo Laboratório de Biologia Marinha, Hill e sua equipe puderam usar polvos bebês para o estudo, que eram pequenos o suficiente para permitir que os pesquisadores visualizassem a base dos oito braços de uma só vez. Isso permite que a equipe rastreie os INCs através do tecido para determinar sua trajetória.

“Esses polvos tinham aproximadamente o tamanho de um níquel ou talvez um quarto, então foi um processo de colar os espécimes na direção certa e obter o ângulo certo enquanto cortava. [for imaging]disse Adam Koospalo, analista de pesquisa sênior da UChicago e principal autor do estudo.

Inicialmente, a equipe estava estudando os cordões nervosos axonais maiores nos braços, mas começaram a perceber que os INCs não paravam na base do braço, mas continuavam do braço para o corpo do animal. Percebendo que pouco trabalho havia sido feito explorando a anatomia dos INCs, eles começaram a rastrear os nervos, esperando que eles formassem um laço no corpo do polvo, semelhante aos cordões nervosos axonais.

Por meio de imagens, a equipe determinou que, além de percorrer o comprimento de cada braço, pelo menos dois dos quatro cilindros se estendem para o corpo do polvo, onde contornam os braços adjacentes e se fundem com o INC do terceiro braço. Esse padrão significa que todos os braços estão conectados simetricamente.

No entanto, era difícil dizer como o padrão se manteria em todos os oito braços. “Enquanto estávamos filmando, percebemos que eles não estavam todos se encaixando como esperávamos, todos pareciam estar indo em direções diferentes, e estávamos tentando descobrir como, se o padrão é consistente para todos os braços, como isso funciona? trabalhar?” Hill disse. “Eu até trouxe um desses brinquedos infantis – o Spirograph – para brincar com sua aparência e como tudo se conectaria no final. Demorou muito para filmar e brincar com os gráficos enquanto quebrávamos nossos cérebros sobre o que poderia acontecer antes que ficasse claro como tudo se encaixava.” .

Os resultados não foram nada do que os pesquisadores esperavam encontrar.

“Achamos que este é um novo design de sistema nervoso baseado em membros”, disse Hill. “Não vimos nada parecido em outros animais.”

Os pesquisadores ainda não sabem a que função esse design anatômico pode servir, mas eles têm algumas ideias.

“Alguns dos trabalhos de pesquisa mais antigos compartilharam informações interessantes”, disse Hill. Um estudo da década de 1950 mostrou que quando você manipula um braço de um lado de um polvo com regiões cerebrais danificadas, você vê os braços respondendo do outro lado. Portanto, esses nervos podem permitir o controle descentralizado da resposta reflexiva ou do comportamento. No entanto, também vemos que as fibras saem dos cordões nervosos para os músculos ao longo de seus tratos, de modo que também podem permitir a continuidade das reações alérgicas e do controle motor ao longo de seus comprimentos. “

A equipe está atualmente conduzindo experimentos para ver se eles podem obter insights sobre esta questão, analisando a fisiologia e o mapeamento exclusivo dos INCs. Eles também estão estudando o sistema nervoso de outros cefalópodes, incluindo chocos e chocos, para ver se eles compartilham uma anatomia semelhante.

Em última análise, Hill acredita que, além de lançar luz sobre as maneiras inesperadas pelas quais as espécies de invertebrados podem projetar um sistema nervoso, entender esses sistemas pode ajudar a desenvolver novas tecnologias de engenharia, como a robótica.

“Os polvos podem ser uma inspiração biológica para o design de dispositivos autônomos no fundo do mar”, disse Hill. “Pense em seus braços – eles podem dobrar em qualquer lugar, não apenas nas articulações. Eles podem torcer e estender seus braços e operar suas ventosas, tudo de forma independente. A função do braço de um polvo é muito mais complexa do que a nossa, então entender como os polvos se integram informações sensório-motoras e controlar seu movimento podem apoiar o desenvolvimento de novas tecnologias.”

Referência: “Múltiplos cordões nervosos conectam os braços dos polvos, fornecendo caminhos alternativos para sinalização entre os braços” Por Adam Koospalo, Samantha Cuddy e Melina E. Hill, 28 de novembro de 2022, disponível aqui. biologia atual.
DOI: 10.1016/j.cub.2022.11.007

O estudo foi financiado pelo Escritório de Pesquisa Naval dos Estados Unidos.