八臂无限运动：揭秘章鱼非凡的灵活性

演化视角：生物学中的去中心化控制

问：您能否详细说明章鱼腕足中的轴神经索 (ANC) 结构与其他动物的神经结构相比如何，以及这一发现可能揭示生物学中去中心化控制的哪些方面？
答：在演化发育生物学中，长期以来有一个关于分节的问题。分节是所有双侧对称动物共有的基本特征——一种原始特征，随着时间的推移可能在某些群体中丢失？或者，分节是在不同动物谱系中通过进化独立产生的，作为组织身体或特定附肢的有价值方式？章鱼所属的门类——软体动物——在这方面一直很有研究价值。软体动物是一个极其多样化的群体，不仅包括章鱼和鱿鱼等头足类动物，还包括石鳖（那些你在海岸上看到的装甲生物）、蜗牛以及牡蛎和蛤蜊等双壳类动物。

历史上，偶尔有人提出某些软体动物群体内存在分节的建议，也许暗示软体动物之间，甚至更广泛的双侧动物之间存在共同的祖先分节。然而，这些想法通常没有得到严格科学调查的支持。关键的是，在我们的工作之前，软体动物神经系统中没有明确的分节例子。

因此，从进化角度看，我们在头足类动物神经系统中发现分节，特别是在章鱼触手的轴神经索中，是相当引人注目和意外。在软体动物神经系统的一部分中发现这种明显的分节组织是很不寻常——这在软体动物中以前从未见过。

我们研究的主要作者Cassady在追求这个问题上特别有帮助。虽然我持支持态度，但她主导了对分节的调查，最初关注鱿鱼。鱿鱼的触角，像章鱼的触手一样，非常灵活并配备吸盘。然而，鱿鱼主要使用触角进行快速捕获猎物，并不表现出与章鱼触手相同的蠕虫状探索性运动。Cassady的目标是检查鱿鱼触角：作为附肢，它们是否显示分节迹象？

有趣的是，她的研究表明，鱿鱼触角沿其主要轴没有分节。分节仅在触角尖端观察到，这些区域含有用于抓握的吸盘。她还在普通鱿鱼手臂中发现了分节，但这些分节远不如我们在章鱼触手中观察到的那么显著——如此微妙，以至于在以前的研究中可能很容易被忽视。

这些比较发现使我们假设章鱼触手中的明显分节与蠕虫状运动的进化需求特别相关。似乎头足类动物已经独立进化出触手神经系统的分节组织，作为控制这些高度灵活、软体附肢的解决方案。这表明在这种情况下的分节不是一个深度保守的软体动物特征，而是头足类动物内部为专门化触手功能而出现的趋同适应。

仿生机器人学：向大自然的设计学习

问：这太迷人了。我想知道，我们能否在机器人中实现这种分段式神经系统设计？这种生物启发方法适用于工程学吗？
答：当然可以！事实上，在过去十年左右的时间里，人们对软体机器人的兴趣激增。这不再只是一个利基领域。制造具有灵活、类似手臂附肢的软体机器人的想法对于一系列应用来说都极具吸引力。想想在具有挑战性的环境中执行任务，例如，在海洋深处工作。与刚性机器人相比，软体机器人可能更适合在复杂的水下地形中航行。另一个非常有前景的应用是新型手术器械的开发。想象一下柔软灵活的手术工具，能够像光纤电缆一样在体内蜿蜒穿行，以最小的侵入性到达脆弱的区域。虽然它们可能会包含一些刚性组件，例如尖端的微型剪刀，但灵活的“手臂”部分将成为微创手术的游戏规则改变者。

有趣的是，当机器人专家和理论家试图对软体机器人手臂进行建模时，有些人已经直观地在其设计中加入了类似节段的元素。然而，这些分节通常非常简化，缺乏我们在章鱼腕足中发现的精确周期性和生物学基础。它们更多的是一种便于建模的理论构造，而不是基于生物学的东西。但现在，随着我们发现章鱼触手确实以这种精细分节模式组织，我们希望这将促使机器人学家，特别是从事软体机器人的工程師，重新考虑他们的设计方法。设计具有这种生物启发分节架构的软体机器人可能导致显著更先进和更强大的灵活机器人。虽然我的实验室不会直接建造机器人，但我们当然希望我们的发现会影响软体机器人领域，并激励工程师探索这些生物启发设计。

吸盘拓扑：映射触手的感觉

问：研究引入了”吸盘拓扑”这一迷人概念来描述每个吸盘的神经映射。您能解释”吸盘拓扑”的含义，以及这种精确映射如何增强章鱼触手的感觉和运动能力？
答：“吸盘拓扑”指的是章鱼触手上每个单独吸盘都有专门的神经映射，就像其他动物视觉和触觉的地形图一样。这一概念源于早期研究，特别是20世纪中期Martin Wells进行的实验。Wells训练蒙眼章鱼区分圆柱体。一些圆柱体有不同厚度的脊，而其他则在整体直径上有差异。他发现了令人惊讶的事情：蒙眼章鱼能够根据脊的纹理（薄与厚）区分圆柱体，但无法区分圆柱体整体大小或直径的差异。

Wells提出了一个令人信服的解释。他假设当章鱼触手包裹物体时，每个吸盘都会变形，程度与细微纹理（如脊的厚度）成比例。他认为吸盘本身充当了这些微小表面变化的高敏感触觉探测器。要使这一机制有效，每个吸盘需要对变形极其敏感。这导致了一个想法，至少对于触觉感知，章鱼可能利用”吸盘拓扑”——每个吸盘的精确神经映射。

然而，除了触觉外，还有运动控制方面。每个吸盘，虽然固定在触手基部，但极其灵活。如果你仔细观察章鱼，就像我们论文附带的引人入胜视频中显示的那样，你会看到每个吸盘都能独立运动，表现惊人的灵巧。它们不仅能被外部物体变形，还能通过主动运动控制变形。

为了实现这种独立、精细的每个吸盘的感觉和运动控制，我们推断，必须存在专门的神经表征——每个吸盘的地形图。这正是Cassady的工作所揭示：吸盘拓扑的解剖学证据。虽然以前有少数研究者推测吸盘地形学的存在，但我们的研究提供了第一个直接证据。我们研究的下一步是调查吸盘拓扑背后的生理机制，以详细了解这种神经映射如何运作。

技术挑战与突破

问：在制备和成像章鱼腕足组织时，你们遇到了哪些主要的技术障碍？克服这些挑战——或者找到变通方法——是如何促成你们的发现？
答：哦，有很多！当我们深入研究时，很快就清楚地意识到我们面临着巨大的技术限制，这在整个头足类生物学领域都很常见。 最基本的障碍之一是缺乏基本的基因组和转录组数据。在现代生物学研究中，获得序列信息——包括基因组DNA和表达的RNA——是绝对必要的。值得注意的是，当我们开始这个项目时，还没有任何头足类动物的基因组被完全测序。这是基础知识上的一个重大空白。

基因组测序：解锁章鱼的生物密码

问：基因组测序听起来是一项艰巨的任务。你们是如何解决？
答：的确如此！这成为我实验室一项重要的、历时两到三年的工作。我们与加州大学伯克利分校的Dan Rokhsar实验室，特别是Oleg Simakov（他现在在维也纳大学拥有自己的实验室）进行了合作。在我的实验室里，Carrie Albertin和Z. Yan Wang也是这项工作的核心。我们一起成功地对加州双斑蛸 (Octopus bimaculoides) 的基因组进行了测序。这是一个至关重要的突破——这是有史以来第一个被公布的头足类动物基因组。值得庆幸的是，从那时起，该领域的研究呈爆炸式增长，现在已经有数十个头足类动物基因组被测序，这些都是基于最初的工作。

基因组洞察：章鱼基因组揭示了什么

问：获得章鱼基因组实际上为你们的研究带来了哪些实际的帮助？
答：基因组序列在几个方面带来了变革性的影响。首先，它揭示了章鱼基因组本身的独特结构，这与以前见过的任何动物基因组都不同。与其他动物基因组，甚至牡蛎等其他软体动物相比，它似乎经历了高度重排——一个真正的“异类”。其次，它为我们提供了实用的工具。如果我们对某个特定基因感兴趣，基因组可以让我们快速确定章鱼体内存在多少个拷贝，它的DNA序列是什么，并使我们能够设计分子探针来研究它的基因表达——它在哪里以及何时活跃。第三，基因组揭示了迷人的生物学难题。一个引人注目的例子是原钙粘蛋白基因家族。原钙粘蛋白对哺乳动物的神经系统发育至关重要。人类和小鼠大约有60个原钙粘蛋白基因。但在章鱼基因组中，我们发现了惊人的18个！而在我们后来测序的长鳍鱿鱼 (Doryteuthis pealeii) 基因组中，甚至更多。我们还远未了解头足类动物中原钙粘蛋白大规模扩增的功能，或者它们是否发挥着与哺乳动物中相似的作用。这些复杂的神经系统可能需要一个大大扩展的原钙粘蛋白工具包来进行复杂的连接。有了基因组数据，我们才能开始探究这些问题。

超越基因组学：其他技术障碍

问：除了基因组学之外，你们还遇到了哪些其他的技术限制？
答：是的，当然。除了基因组学，我们在章鱼的基因操作方面也面临限制。在小鼠等模式生物中常见的技术——例如使用病毒传递基因——在章鱼中尚未建立。虽然基因编辑在鱿鱼和乌贼中变得越来越可行，但章鱼卵难以注射且胚胎难以存活。另一个主要障碍是缺乏头足类细胞培养。细胞培养在哺乳动物生物学中非常宝贵，可以详细研究体外细胞和分子过程。我们根本没有建立长期头足类细胞培养的成熟方法。这些缺失的工具——基因操作、细胞培养——对推进头足类动物研究构成了重大挑战。 然而，对于这项具体研究，主要作者Cassady巧妙地开发了在体外（基本上是在培养皿中）研究神经元连接的方法。她还熟练地应用了近十年来出现的现代组织透明化技术，以前所未有的细节观察和分析神经组织的结构。因此，虽然我们无法克服这个项目中基因操作或细胞培养方面更大的、整个领域范围内的限制，但Cassady在体外分析和组织透明化方面的方法创新对于我们发现章鱼腕足分段神经系统至关重要。

神经通讯：节段之间的“对话”

问：您能否详细说明章鱼腕足神经节段之间是如何进行通讯，以及这种相互作用在平滑其复杂运动中起什么作用？
答：可以将章鱼的腕足想象成一个相互连接的处理中心链。每个节段都有自己的一组神经元，控制其附近的肌肉和吸盘。我们这项研究的主要作者Cassady发现，这些节段并非孤立存在；它们与相邻的节段有直接的连接。这允许在短距离内进行快速的通讯和运动协调。可以把它想象成一个局域网，确保腕足一小部分区域内平滑、流畅的运动。

但是如何协调整个腕足的运动呢？这就是轴神经索 (ANC) 发挥作用的地方。ANC是一束粗大的神经纤维，贯穿腕足的整个长度，就像一条连接所有节段和大脑的主要高速公路。它允许大脑向特定节段发送信号，指挥更大范围的运动，如伸展和抓握。

我们怀疑ANC 也在腕足内远距离节段之间的通讯中发挥作用。信号有可能沿着这条“高速公路”在节段之间“跳跃”，从而实现需要整个腕足协同工作的复杂运动的协调。这类似于哺乳动物的脊髓如何实现四肢的协调运动。我们正在积极调查这种可能性，但要明确证明这一点在技术上具有挑战性。

这种由局部和长距离连接组成的复杂网络使章鱼腕足能够实现令人难以置信的灵活性和控制力。这是一个关于去中心化神经系统如何实现复杂、协调运动的迷人例子。

演化与人类脊髓

问：您提到四足动物的脊髓中有更长距离的连接。人类是否也有类似的连接，还是我们在进化史上的某个时刻失去了这种能力？
答：人类在多大程度上可能拥有这种连接尚不完全清楚。我们似乎并没有以同样的方式利用它们，即使在婴儿爬行的时候也是如此。作为两足行走的成年人，我们主要使用两条腿进行运动，因此，像四足动物中看到的那样，脊髓内用于肢体协调的大范围长距离连接，对于我们的典型运动来说，在功能上可能不太必要。虽然我们不能在人类身上进行侵入性实验，但对人类大脑和脊髓组织（包括正常和病理组织）的研究提供了一些见解。根据这项研究，在脊髓内，四足动物中观察到的长距离连接的程度和功能，在两足动物中并不突出。从进化的角度来看，维持复杂的神经回路会带来代谢成本。随着人类进化为直立行走，脊髓中这些广泛的长程连接可能变得不那么关键，并可能在进化时间内减少或”修剪回去”，为我们特定的运动模式优化神经资源。

再生：来自章鱼的启示

问：考虑到每条腕足中分布着大量的神经元——每条腕足大约有4000万个！——关于其组织结构的发现对神经再生或修复的研究有什么启示吗，也许甚至对包括人类在内的其他物种也有所启示？
答：虽然这项具体研究的重点是神经结构，但我的实验室确实有另一个与神经再生直接相关的活跃研究方向。我的一个研究生，Grace Schultz，正在研究章鱼腕足的再生。章鱼是了不起的再生者。在野外，它们经常失去腕足——这是一种常见的防御机制，使它们能够逃脱捕食者或在战斗中挣脱。真正令人惊奇的是，这些失去的腕足会再生，而且再生速度非常快，其速度可与蝾螈等两栖动物的肢体再生相媲美。然而，章鱼腕足的再生甚至比两栖动物肢体再生更复杂。当蝾螈再生肢体时，它会重新长出骨骼、肌肉和神经。但是当章鱼再生腕足时，它会再生整个轴神经索——本质上，是在腕足内重新长出一个“脊髓”。目前，我们对任何动物脊髓再生的基本生物学原理的了解都非常有限。虽然一些两栖动物和某些无颌鱼表现出有限的脊髓再生，但这是一个非常缓慢的过程，而且通常不完整。相比之下，章鱼腕足的再生，包括神经成分，是快速而强大的。

为什么要研究章鱼？与人类健康的相关性

问：人类的再生能力非常有限，对吗？章鱼系统如何帮助我们理解再生，如果它看起来与人类生物学如此遥远，为什么还要研究章鱼呢？
答：没错。人类的再生能力非常有限。我们可以在一定程度上再生我们的肝脏，儿童可以在一定年龄之前再生指尖，但对于哺乳动物的复杂组织再生来说，仅此而已。我们当然不能再生肢体或脊髓。人类的脊髓损伤通常会导致永久性残疾，因为断裂的神经纤维再生和桥接损伤间隙的能力有限。这正是为什么研究章鱼对再生研究如此重要的原因。如果我们想了解再生的生物学规则，特别是神经再生，我们必须研究那些擅长再生的动物。人类和小鼠是最常见的生物医学模型，实际上它们在复杂组织再生方面相当差。驼鹿可以每年再生鹿角，但它们不是实验室研究的实用实验模型。一些特殊的小鼠品系可以修复耳朵上的小孔，但这与复杂的神经系统再生无法相提并论。如果我们想了解复杂的神经系统是如何再生的，尤其是像头足类动物那样庞大而复杂的神经系统，那么像章鱼这样的动物就是必不可少的模型。它们提供了一个自然进化的系统，用于快速有效的神经再生。虽然资助机构有时可能会质疑章鱼研究与人类的直接相关性，但从研究这些动物的再生中获得的基本生物学见解最终可能对开发促进人类神经修复和再生的新方法具有无价的价值，即使转化途径不是立竿见影。

未来方向：揭示更多秘密

问：基于这项关于分段神经回路的激动人心的见解，你们研究的下一步是什么？进一步的探索如何加深我们对头足类生物学和普通神经生物学的理解？
答：未来的方向实际上取决于加入我实验室的学生的兴趣和热情。关于章鱼腕足本身，仍然有大量未解之谜：详细的回路、节段的精确功能、这个复杂系统是如何发育的，当然还有再生的机制。所有这些仍然是进一步研究的迷人领域。除了腕足之外，我实验室的另一个主要研究重点是章鱼的视觉。正如我们之前讨论的，章鱼是高度视觉化的动物，拥有非常复杂的眼睛。我们正在开始一个重要的项目，以详细了解章鱼的视网膜。我们正在与视觉生理学专家合作，探索章鱼视觉的分子和细胞机制，并解决有关趋同进化的基本问题。例如，尽管章鱼的视网膜实现了脊椎动物般的视觉敏锐度和形态视觉，但它在细胞和分子水平上是否与脊椎动物视网膜的运作原理根本不同？或者即使在这些非常基本的层面上，是否存在意想不到的相似之处？我们相信，将现代分子、细胞和神经科学技术应用于章鱼视觉以及头足类生物学的其他方面，将继续产生令人兴奋的、可能改变范式的见解，既包括头足类动物特有的适应性，也包括更广泛的神经生物学原理。

结论

这项广泛的研究阐明了章鱼的分段神经系统如何赋予其腕足无与伦比的灵活性和自主性。通过揭示一个复杂的、模块化的神经网络——具有专门的“吸盘定位”（suckerotopy）和复杂的轴神经索——此研究不仅增进了我们对头足类动物进化和行为的理解，而且为软体机器人和再生医学提供了鼓舞人心的蓝图。随着我们继续探索这些奥秘，章鱼仍然是解开神经创新和适应性秘密的一个深刻模型。事实上，对章鱼神经生物学的探索才刚刚开始，未来的研究有望揭示更多非凡的发现，挑战我们对智力、灵活性以及神经系统设计原理的基本理解。