ساخت تجهیزات خودکار زیرآبی با الهام از سیستم عصبی اختاپوس

این مساله موجب شده که هشت‌پاها موضوع جالبی برای تحقیق محققانی مانند دکتر «ملینا هیل» استاد بیولوژی ارگانیسمی در دانشگاه شیکاگو باشند. این محققان به دنبال درک این مساله هستند که ساختارهای سیستم‌های عصبی جایگزین چگونه می‌توانند عملکردهایی مشابه سیستم‌های عصبی در انسان از قبیل کنترل حرکت را داشته باشند.

در یک تحقیق اخیر که در نشریه «بیولوژی اکنون» (Current Biology) منتشر شده است، هیل و همکاران او یک خصوصیت جدید و شگفت‌آور در سیستم عصبی اختاپوس کشف کردند:‌ یک ساختار که به رشته‌های عصبی درون‌ماهیچه‌ای (intramuscular) اجازه می‌دهد تا بازوها را به طرف‌های مخالف (بدن) حیوان مرتبط سازد.

این کشف اعجاب‌انگیز بینش‌های جدیدی در مورد این مساله ایجاد می‌کند که گونه‌های حیوانی بی‌مهره چگونه به طور مستقل سیستم‌های عصبی پیچیده ایجاد کرده‌اند. این مساله همچنین می‌تواند الهام‌بخش مهندسی رباتیک و ابداع وسایل جدید خودکار زیرآبی باشد.

هیل گفت: ما در آزمایشگاه حس مکانیکی (mechanosensation) و حس عمقی (proprioception) و همچنین این را که چگونه حرکت و موقعیت اندام‌ها حس می شود، مطالعه می کنیم. از دیرباز باور بر این بوده که این رشته‌های عصبی درون‌ماهیچه‌ای (INCs) خودپذیر یا تحریک‌پذیر توسط تحریکات درونی (proprioceptive) هستند؛ بنابراین هدف جالبی برای کمک به پاسخگویی به نوع سوالاتی است که در آزمایشگاه ما مطرح می‌شود. تا الان کار زیادی روی آنها انجام نشده اما آزمایش‌های گذشته نشان داده است که آنها برای کنترل بازو مهم هستند.

هیل و تیم تحقیقاتی او از اختاپوس‌های جوان برای این مطالعه استفاده کردند که به اندازه‌ای کوچک بودند که به محققان اجازه می‌داد از پایه هر هشت بازو به طور همزمان تصویربرداری کنند. این به تیم تحقیقاتی اجازه داد رشته‌های عصبی درون‌ماهیچه‌ای را از طریق بافت ردیابی کنند تا مسیر آنها تعیین شود.

«آدام کاسپالو» محقق ارشد دانشگاه شیکاگو و از دست اندرکاران اصلی این مطالعه گفت: این اختاپوس‌ها تقریبا به اندازه یک نیکل (سکه کوچک) یا شاید یک چهارم (سکه ۲۵ سنتی) بودند بنابراین فرآیندی برای ضمیمه کردن نمونه‌ها در جهت درست و به دست آوردن زاویه درست در طول برش (برای تصویربرداری) بود.

این تیم تحقیقاتی در ابتدا به بررسی طناب‌های عصبی محوری بزرگ‌تر در بازوها پرداخت اما متوجه شدند که رشته‌های عصبی درون ماهیچه‌ای در قاعده بازو متوقف نمی‌شوند بلکه به خارج از بازو و داخل بدن حیوان ادامه می‌دهند. با درک اینکه کار کمی برای کشف آناتومی رشته‌های عصبی درون‌ماهیچه‌ای انجام شده است، آنها شروع به ردیابی اعصاب کردند و انتظار داشتند که حلقه ای شبیه به طناب‌های عصبی محوری در بدن اختاپوس تشکیل دهند.

این محققان از طریق تصویربرداری تشخیص دادند که حداقل دو تا از چهار رشته عصبی درون ماهیچه‌ای علاوه بر طول هر بازو به داخل بدن اختاپوس کشیده می‌شوند، جایی که دو بازوی مجاور را دور زده و با رشته‌های عصبی بازوی سوم ادغام می‌شوند. این الگو به این معنی است که همه بازوها به طور سیستماتیک به هم متصل هستند.

با این حال، تعیین اینکه چگونه این الگو در هر هشت بازو حفظ می‌شود، چالش برانگیز بود. هیل گفت: زمانی که در حال تصویربرداری بودیم متوجه شدیم که همه آنها آنطور که ما انتظار داشتیم جمع نمی‌شوند، به نظر می‌رسید که همه آنها در جهت‌های متفاوتی حرکت می‌کنند و ما سعی ‌کردیم بفهمیم که اگر این الگو برای همه بازوها وجود داشته باشد، چگونه کار خواهد کرد.

نتایج این تحقیقات به هیچ وجه آن چیزی نبود که محققان انتظار آن را داشتند. هیل افزود: ما فکر می‌کنیم این یک طراحی جدید برای سیستم عصبی مبتنی بر اندام است. ما چنین چیزی را در حیوانات دیگر ندیده ایم.

محققان هنوز نمی‌دانند که این طراحی آناتومیک چه کارکردی ممکن است داشته باشد اما ایده‌هایی در این زمینه دارند. به گفته هیل، ممکن است این اعصاب اجازه کنترل غیرمتمرکز بر واکنش یا رفتار انعکاسی را بدهند. همچنین ممکن است تداوم بازخورد حس عمقی (proprioceptive) و کنترل حرکتی (موتور) را در امتداد طول خود فراهم کنند.

این تیم تحقیقاتی در حال حاضر در حال انجام آزمایش‌هایی هستند تا ببینند آیا می‌توانند با بررسی فیزیولوژی رشته‌های عصبی درون ماهیچه‌ای و طرح‌بندی منحصربه‌فرد آنها، بینشی در مورد این مساله به دست آورند. آنها همچنین در حال مطالعه سیستم عصبی سایر سرپایان (cephalopods) از جمله ماهی مرکب (squid) و کیسه ماهی (cuttlefish) هستند تا ببینند آیا آناتومی مشابهی دارند یا خیر.

نتیجه

در نهایت، هیل معتقد است که علاوه بر روشن کردن شیوه‌های عجیب و غیرمنتظره طراحی سیستم عصبی در گونه‌های بی‌مهرگان، شناخت این سیستم‌ها می‌تواند به توسعه فناوری‌های مهندسی شده جدید مانند ربات‌ها کمک کند.