octopus

Clifton Ragsdale, PhD, Neurobiology, Image credit: Jordan Porter-Woodruff 分布式神经系统如何造就非凡的运动灵巧性 章鱼以其智慧和惊人的身体能力而闻名，其中最令人印象深刻的莫过于它们八条触手的灵巧性。这些灵活的附肢可以扭转、弯曲和卷曲，几乎可以进行无限范围的运动，使章鱼能够在周围环境中穿梭自如，操纵物体，并以惊人的精度捕捉猎物。但究竟是什么赋予了它们如此精细的控制能力呢？ 芝加哥大学的研究人员揭示了这一谜题的关键：一种独特的神经系统，它能协调章鱼触手的复杂运动。这项突破性研究于2025年1月15日发表在《自然通讯》杂志上，揭示章鱼的触手并不仅仅由中央大脑控制，而是由组织成段的分布式神经元网络控制。这使得每只触手都能精确独立地运动，同时保持整个身体的协调。想象一下，就像有八个迷你大脑在完美和谐地一起工作！ 我们与该研究的资深作者Clifton Ragsdale博士进行了交谈，以了解更多关于这些迷人发现的信息。 Octopus bimaculoides in motion, Image credit: Cassady S. Olson, Ragsdale Laboratory 从哺乳动物到软体动物：一段演化之旅 问：是什么让您从研究哺乳动物大脑转向研究章鱼的神经系统？答：我的科研之路始于系统神经科学，最初专注于研究脊椎动物和哺乳动物的脑回路，后来转向了神经发育的分子生物学。在获得终身教职后，我对拥有大型大脑的无脊椎动物神经系统产生了兴趣，这自然而然地将我引向了头足类动物。其中，普通章鱼尤其令我着迷，因为它的神经系统极其复杂——它总共拥有大约5亿个神经元，其中8000万个在中央大脑（相当于一只老鼠的大脑），1.2亿个在视叶，3亿个分布在八只触手上。 这种庞大的神经结构提供了一个绝佳的机会，让我们可以利用现代分子生物学、细胞生物学和其他当代技术，来增进我们对复杂神经系统如何演化和运作的理解，尽管我们需要克服许多研究障碍。 章鱼腕足的独特性 问：为什么特别关注章鱼的腕足，它们的神经系统是如何运作？答：与其他头足类动物（如鱿鱼）相比，章鱼的腕足具有独特的复杂性。虽然两者都有类似的附肢，但章鱼的腕足具有多种功能，包括探索、行走和捕食。它们的吸盘是复杂的化学感应器官，既能感觉又能尝味，拥有的味觉受体比鱿鱼的吸盘更加多样化。赋予了它们感知周围环境的惊人能力。 每条腕足包含大约4000万个神经元——相当于章鱼中枢脑半球的神经元数量。与其将此视为周围神经系统，不如将其视为中枢神经系统的一部分，类似于我们对其他动物的视网膜和脊髓的分类。可以说，章鱼基本上有八个“脊髓”，每条腕足一个。 虽然这些腕足在被切断后可以独立运作——在数小时内表现出感觉-运动反应——但这种能力并非章鱼独有，因为小鼠断开的脊髓同样可以控制运动并表现出感觉-运动反应。然而，章鱼腕足的复杂性和自主性水平是无与伦比的。 章鱼的视觉：不仅仅是“眼见为实” 问：章鱼有视觉能力吗？人们很容易过于关注它们的腕足，以至于可能会忘记它们还有眼睛！答：人们常常误以为章鱼的腕足就是它们的“眼睛”，这可能是因为腕足上具有感知功能的吸盘。但事实并非如此，章鱼拥有非常发达的眼睛和出色的视力。大而复杂的眼睛是大多数软体头足类动物的标志。实际上，如果你观察章鱼眼睛中光感受器细胞密度时，你会发现它与高视力动物（如灵长类动物，包括我们人类，甚至像鹰和隼这样的猛禽）中的光感受器细胞密度相当。如此高的光感受器密度表明章鱼具有非常高的视觉敏锐度。 有趣的是，章鱼复杂的视觉系统为我们呈现了另一个迷人的谜题。 它们的视觉系统，就像它们生物学的许多其他方面一样，似乎与脊椎动物的系统发生了趋同进化。演化在两个谱系中独立地得出了相似的复杂解决方案。这就引出了根本性的问题：它们是如何独立实现这一点？更关键的是，章鱼的眼睛和脊椎动物的眼睛在基本层面上是否遵循相同的原理运作，还是它们使用了完全不同的机制？我们还不知道这些问题的答案，这正是为什么头足类动物视觉是现代分子和细胞探索如此引人入胜的领域。在我的实验室里，我们渴望利用现代生物学的强大工具来解决这些关于软体头足类动物的开放性问题，因为还有大量令人兴奋的生物学奥秘等待着我们去发现。 分节：腕足灵活性的秘密 问：章鱼腕足神经系统的分节是如何具体地促成其执行如此复杂的弯曲、扭转和卷曲动作的非凡能力？答：把章鱼的腕足作为一个整体来看——它是一种具有抓握能力的结构，与我们所拥有的任何结构都不同。当你观察章鱼的运动时，你会注意到它们的腕足中没有骨骼。相反，它们完全由肌肉、神经组织和结缔组织以及吸盘组成。这种类型的结构被称为“肌肉水静压支架”(muscular hydrostat)，类似于大象的鼻子或人的舌头。“肌肉水静压支架”能够实现几乎无限自由度的运动。 有趣的是，章鱼腕足内的肌肉结构在其整个长度上都是一致的。如果你在腕足的不同位置进行横切，你会看到相同的肌肉排列。这是一个重复的结构。如果你观察腕足的运动，并不是只有某些部分可以弯曲；整条腕足都能够弯曲、扭转、伸长和收缩。 虽然大脑显然会指示弯曲发生的位置并控制抓取等动作，但腕足的重复结构使我们推测其神经系统也可能以模块化、重复的方式组织。我们设想可能有类似的模块化神经回路沿着腕足的长度重复。这种分节的神经系统在其他蠕虫状生物中可见，例如环节蠕虫甚至昆虫幼虫。我们认为，一般来说，分节是控制蠕虫状身体或附肢的有效方法。 然后，我们的研究重点是探索腕足的神经回路。我们发现了这种神经元分节，并且令人惊讶地发现，每条腕足长度上的节段甚至比我们最初预期的还要多。这些节段似乎沿着腕足重复，但每个节段在与其相互作用的特定肌肉方面似乎都表现出局部的特化，从而产生了分工。然而，尽管存在这种局部特化，但这些节段沿着腕足保持了相似的基本结构。 除了这一初步发现之外，我们还需要进一步的研究，特别是在生理学方面，以充分了解这种分节的功能意义，以及它如何协调章鱼腕足令人难以置信的复杂运动。 Octopus bimaculoides holiding a sea shell, Image credit: Cassady S. Olson, Ragsdale Laboratory […]