Para ilmuwan menemukan ‘cara yang sama sekali baru untuk merancang sistem saraf’

Penemuan inovatif ini memberikan wawasan baru tentang evolusi sistem saraf kompleks pada spesies invertebrata dan memiliki potensi untuk menginspirasi pengembangan perangkat bawah air otonom dan inovasi lain dalam rekayasa robotika.

Gurita tidak seperti manusia – mereka adalah invertebrata dengan delapan lengan dan berkerabat dekat dengan kerang dan siput. Meskipun demikian, mereka telah mengembangkan sistem saraf yang kompleks dengan neuron sebanyak otak anjing, yang memungkinkan mereka menampilkan berbagai perilaku kompleks.

Ini menjadikannya topik yang menarik bagi para peneliti seperti Melina Hill, Ph.D., William Rennie Harper Profesor Biologi Organisme dan Wakil Rektor Universitas di Universitas Chicagoyang ingin memahami bagaimana struktur sistem saraf alternatif dapat melakukan fungsi yang sama seperti pada manusia, seperti merasakan gerakan anggota tubuh dan mengendalikan gerakan.

Dalam sebuah penelitian terbaru yang diterbitkan di Biologi Saat IniKemudian, Hill dan rekan-rekannya menemukan fitur baru yang mengejutkan dari sistem saraf gurita: struktur yang memungkinkan kabel neuromuskuler (INC), yang membantu gurita merasakan gerakan lengannya, untuk terhubung ke lengan di kedua sisi hewan.

Penemuan yang mengejutkan memberikan wawasan baru tentang bagaimana spesies invertebrata berevolusi secara mandiri spesies saraf yang kompleks. Itu juga bisa memberikan inspirasi untuk rekayasa robot, seperti perangkat bawah air otonom baru.

Irisan horizontal di pangkal lengan (berlabel A) menunjukkan konvergensi dan perpotongan INC lisan (berlabel O). Kredit: Kuuspalu et al. , Biologi Saat Ini2022

“Di lab saya, kami mempelajari mechanosensation dan proprioception – bagaimana gerakan dan posisi anggota badan dirasakan,” kata Hill. “INC ini telah lama dianggap sensorik, jadi mereka telah menjadi target yang menarik untuk membantu menjawab jenis pertanyaan yang diajukan lab kami. Sampai saat ini, tidak banyak pekerjaan yang dilakukan pada mereka, tetapi percobaan sebelumnya telah menunjukkan bahwa mereka adalah penting untuk kontrol lengan.”

Berkat dukungan penelitian cephalopoda yang disediakan oleh Laboratorium Biologi Kelautan, Hill dan timnya dapat menggunakan bayi gurita untuk penelitian, yang cukup kecil untuk memungkinkan para peneliti mencitrakan dasar delapan lengan sekaligus. Ini memungkinkan tim untuk melacak INC melalui jaringan untuk menentukan lintasan mereka.

“Gurita ini seukuran nikel atau mungkin seperempat, jadi itu adalah proses menempelkan spesimen ke arah yang benar dan mendapatkan sudut yang tepat saat mengiris [for imaging]kata Adam Koospalo, analis riset senior di UChicago dan penulis utama studi tersebut.

Awalnya, tim mempelajari tali saraf aksonal yang lebih besar di lengan tetapi mereka mulai memperhatikan bahwa INC tidak berhenti di pangkal lengan, melainkan terus keluar dari lengan ke dalam tubuh hewan. Menyadari bahwa sedikit pekerjaan telah dilakukan untuk mengeksplorasi anatomi INC, mereka mulai menelusuri saraf, berharap mereka membentuk lingkaran di tubuh gurita, mirip dengan tali saraf aksonal.

Melalui pencitraan, tim menentukan bahwa selain menjalankan panjang setiap lengan, setidaknya dua dari empat silinder meluas ke tubuh gurita, di mana mereka melewati lengan yang berdekatan dan menyatu dengan INC dari lengan ketiga. Pola ini berarti semua lengan terhubung secara simetris.

Namun, sulit untuk mengatakan bagaimana pola itu akan bertahan di kedelapan lengan. “Ketika kami sedang syuting, kami menyadari bahwa mereka semua tidak datang bersama seperti yang kami harapkan, mereka semua tampaknya menuju ke arah yang berbeda, dan kami mencoba mencari tahu bagaimana jika polanya konsisten untuk semua lengan, bagaimana caranya? bekerja?” kata Hill. “Saya bahkan membawa salah satu mainan anak-anak ini—Spirograph—untuk bermain dengan tampilannya, dan bagaimana semuanya akan terhubung pada akhirnya. Butuh banyak syuting dan bermain dengan grafik saat kami memeras otak tentang apa bisa terjadi sebelum menjadi jelas bagaimana semuanya cocok satu sama lain.” .

Hasilnya sama sekali tidak seperti yang diharapkan para peneliti.

“Kami pikir ini adalah desain sistem saraf berbasis tungkai baru,” kata Hill. “Kami belum pernah melihat yang seperti ini pada hewan lain.”

Para peneliti belum tahu apa fungsi dari desain anatomi ini, tetapi mereka memiliki beberapa ide.

“Beberapa makalah penelitian yang lebih tua telah berbagi wawasan yang menarik,” kata Hill. Satu studi dari tahun 1950-an menunjukkan bahwa ketika Anda memanipulasi lengan di satu sisi gurita dengan bagian otak yang rusak, Anda akan melihat lengan merespons di sisi lain. Oleh karena itu, saraf ini memungkinkan kontrol terdesentralisasi atas respons atau perilaku refleksif. Namun, kami juga melihat bahwa serat keluar dari tali saraf ke otot di sepanjang salurannya, sehingga serat tersebut juga memungkinkan kontinuitas reaksi alergi dan kontrol motorik di sepanjang jalurnya. “

Tim saat ini sedang melakukan eksperimen untuk melihat apakah mereka dapat memperoleh wawasan tentang pertanyaan ini dengan menganalisis fisiologi dan pemetaan INC yang unik. Mereka juga mempelajari sistem saraf cephalopoda lain, termasuk sotong dan sotong, untuk melihat apakah mereka memiliki anatomi yang sama.

Pada akhirnya, Hill percaya bahwa selain menjelaskan cara tak terduga spesies invertebrata dapat merancang sistem saraf, memahami sistem ini dapat membantu mengembangkan teknologi rekayasa baru, seperti robotika.

“Gurita bisa menjadi inspirasi biologis untuk desain perangkat otonom di bawah laut,” kata Hill. “Pikirkan lengan mereka – mereka dapat menekuk di mana saja, tidak hanya pada persendian. Mereka dapat memutar dan menjulurkan lengan dan mengoperasikan pengisapnya, semuanya secara mandiri. Fungsi lengan gurita jauh lebih kompleks daripada lengan kita, jadi pahami bagaimana gurita berintegrasi informasi sensorimotor dan kontrol Gerakan mereka dapat mendukung pengembangan teknologi baru.”

Referensi: “Beberapa tali saraf menghubungkan lengan gurita, menyediakan jalur alternatif untuk pensinyalan di antara lengan” Oleh Adam Koospalo, Samantha Cuddy, dan Melina E. Hill, 28 November 2022, Tersedia Di Sini. Biologi Saat Ini.
DOI: 10.1016/j.cub.2022.11.007

Studi ini didanai oleh United States Office of Naval Research.