摘要：章鱼的手臂动作灵巧得令人难以置信，可以弯曲、扭动和卷曲，自由度几乎无限。芝加哥大学的新研究表明，控制章鱼手臂运动的神经系统回路是分段的，使这些非凡的生物能够精确控制所有八条手臂和数百个吸盘，以探索周围环境、抓握物体和捕获猎物。

章鱼的手臂动作灵巧得令人难以置信，可以弯曲、扭动和卷曲，自由度几乎无限。芝加哥大学的新研究表明，控制章鱼手臂运动的神经系统回路是分段的，使这些非凡的生物能够精确控制所有八条手臂和数百个吸盘，以探索周围环境、抓握物体和捕获猎物。

“如果你要拥有一个控制这种动态运动的神经系统，那么这是一个很好的设置方法，”芝加哥大学神经生物学教授、这项研究的资深作者克利夫顿·拉格斯代尔博士说。“我们认为这是软体头足类动物专门进化而来的特征，它们有吸盘来完成这些类似蠕虫的运动。”

这项研究“头足类手臂的神经元分割”于 2025 年 1 月 15 日发表在《自然通讯》上。

章鱼的每条腕足都有庞大的神经系统，八条腕足上的神经元总数比章鱼大脑中的神经元总数还要多。这些神经元集中在一条大型轴神经索 (ANC) 中，轴神经索在腕足上蜿蜒前行，每次弯曲都会在每个吸盘上形成一个扩大部分。

领导这项研究的计算神经科学研究生 Cassady Olson 想要分析加州双斑章鱼（Octopus bimaculoides）手臂中 ANC 的结构及其与肌肉组织的联系，加州双斑章鱼是一种原产于加州海岸太平洋的小型物种。她和合著者 Grace Schulz（发育、再生和干细胞生物学研究生）试图在显微镜下观察手臂的薄圆形横截面，但样本不断从载玻片上掉下来。他们尝试纵向切开手臂，运气更好，这导致了意外的发现。

他们利用细胞标记和成像工具追踪 ANC 的结构和连接，发现神经元细胞体被塞入柱状体中，这些柱状体形成节段，就像波纹管一样。这些节段被称为隔膜，神经和血管从隔膜流出到附近的肌肉。来自多个节段的神经连接到肌肉的不同区域，这表明这些节段共同控制运动。

“从建模的角度考虑，为这种非常长且灵活的手臂建立控制系统的最佳方式是将其分成多个部分，”奥尔森说。“各个部分之间必须有某种形式的沟通，你可以想象这将有助于使动作更加流畅。”

吸盘的神经也通过这些隔膜从 ANC 中伸出，系统地连接到每个吸盘的外缘。这表明神经系统为每个吸盘建立了一个空间或地形图。章鱼可以独立移动和改变吸盘的形状。吸盘上还充满了感觉受体，让章鱼能够品尝和闻到它们触摸的东西——就像把手、舌头和鼻子结合起来一样。研究人员认为，他们称之为“吸盘视神经图”的地图促进了这种复杂的感觉运动能力。

为了弄清这种结构是否也常见于其他软体头足类动物，奥尔森还研究了长鳍近海鱿鱼（Doryteuthis pealeii），这种鱿鱼在大西洋很常见。这种鱿鱼有八条带肌肉的触手和像章鱼一样的吸盘，外加两条触手。触手有一根没有吸盘的长柄，末端有一根带吸盘的棍棒。在捕猎时，鱿鱼可以伸出触手，用带吸盘的棍棒抓住猎物。

奥尔森用同样的方法研究了鱿鱼触手的长条，发现没有吸盘的触手柄中的 ANC 没有分段，但末端的棍状体分段的方式与章鱼相同。这表明分段的 ANC 专门用于控制头足类动物中任何类型的灵巧、带有吸盘的附肢。然而，鱿鱼触手棍状体的每个吸盘的分段较少，可能是因为它们不像章鱼那样使用吸盘来感知。鱿鱼更多地依靠视觉在开阔水域中捕猎，而章鱼则在海底徘徊并使用它们敏感的手臂作为探索的工具。

尽管章鱼和鱿鱼在 2.7 亿多年前就分化了，但它们在使用吸盘控制附肢部分的方式上有共同之处，而不使用吸盘的部分则存在差异，这表明进化总能找到最佳解决方案。

“长有这些带有吸盘的附肢并能像蠕虫一样运动的生物需要合适的神经系统，”拉格斯代尔说。“不同的头足类动物都形成了节段结构，其细节根据其环境需求和数亿年进化的压力而有所不同。”

来源：人工智能学家