Los científicos descubren ‘una forma completamente nueva de diseñar un sistema nervioso’

Este descubrimiento innovador ofrece nuevos conocimientos sobre la evolución de los sistemas nerviosos complejos en las especies de invertebrados y tiene el potencial de inspirar el desarrollo de dispositivos submarinos autónomos y otras innovaciones de ingeniería robótica.

Los pulpos no son como los humanos: son invertebrados de ocho brazos y están más estrechamente relacionados con las almejas y los caracoles. A pesar de esto, han desarrollado sistemas nerviosos complejos con tantas neuronas como cerebros caninos, lo que les permite exhibir una amplia gama de comportamientos complejos.

Esto los convierte en un tema interesante para investigadores como Melina Hale, Ph.D., William Rainey Harper, profesor de biología de órganos y vicecanciller de la Universidad de Chicagoque quieran comprender cómo las estructuras alternativas del sistema nervioso pueden realizar las mismas funciones que los humanos, como detectar el movimiento de las extremidades y controlar el movimiento.

En un estudio reciente publicado en biología actualHale y sus colegas han descubierto una característica nueva y sorprendente del sistema nervioso del pulpo: una estructura que permite que los cordones nerviosos intramusculares (INC), que ayudan al pulpo a sentir el movimiento del brazo, conecten los brazos en lados opuestos del animal.

El sorprendente descubrimiento proporciona nuevos conocimientos sobre cómo las especies de invertebrados evolucionaron de forma independiente sistemas nerviosos complejos. También puede servir de inspiración para la ingeniería robótica, como nuevos dispositivos submarinos autónomos.

Pulpo INCs Cruz en el cuerpo del animal

Un corte horizontal en la base de los brazos (etiquetados como A) que muestra los INC orales (etiquetados como O) que convergen y se cruzan. Crédito: Kuuspalu et al., biología actual2022

“En mi laboratorio, estudiamos la mecanosensación y la propiocepción: cómo se perciben el movimiento y la posición de las extremidades”, dijo Hale. “Durante mucho tiempo se pensó que estos INC eran propioceptivos, por lo que eran un objetivo interesante para ayudar a responder el tipo de preguntas que hace nuestro laboratorio. Hasta ahora, no se ha trabajado mucho en ellos, pero los experimentos anteriores han indicado que son importantes para el control de los brazos».

Gracias al apoyo para la investigación de cefalópodos del Laboratorio de Biología Marina, Hale y su equipo pudieron usar pulpos jóvenes para el estudio, que eran lo suficientemente pequeños para que los investigadores pudieran visualizar la base de los ocho brazos a la vez. Esto permitió al equipo rastrear los INC a través del tejido para determinar su camino.

“Estos pulpos tenían aproximadamente el tamaño de una moneda de diez centavos o tal vez de una moneda de veinticinco centavos, por lo que fue un proceso de colocar las muestras en la orientación correcta y obtener el ángulo correcto al cortar. [for imaging]dijo Adam Kuuspalu, analista de investigación senior de UChicago y autor principal del estudio.

Inicialmente, el equipo estaba estudiando los cordones nerviosos axiales más grandes en los brazos, pero comenzó a notar que los INC no se detenían en la base del brazo, sino que continuaban fuera del brazo y dentro del cuerpo del animal. Al darse cuenta de que se había hecho poco trabajo para explorar la anatomía de los INC, comenzaron a rastrear los nervios, esperando que formaran un bucle en el cuerpo del pulpo, similar a los cordones nerviosos axiales.

A través de imágenes, el equipo determinó que, además de recorrer la longitud de cada brazo, al menos dos de los cuatro INC se extienden hacia el cuerpo del pulpo, donde pasan por alto los dos brazos adyacentes y se fusionan con el INC del tercer brazo superior. Este modelo significa que todos los brazos están conectados simétricamente.

Sin embargo, fue difícil determinar cómo se mantendría el modelo en los ocho brazos. «Tal como imaginábamos, nos dimos cuenta de que no todos se juntaban como esperábamos. Todos parecían ir en diferentes direcciones. Y estábamos tratando de averiguar cómo, si el patrón era válido para todos los brazos, ¿cómo sería? ¿trabajar?» dijo Hale. “Incluso saqué uno de esos juguetes para niños, un espirógrafo, para jugar con cómo se vería, cómo se conectaría todo al final. Hicimos muchas fotos y jugamos con dibujos mientras nos preguntábamos qué podría estar pasando antes de que quedara claro cómo encajaba todo.

Los resultados no fueron en absoluto lo que los investigadores esperaban encontrar.

«Creemos que este es un nuevo diseño para un sistema nervioso basado en las extremidades», dijo Hale. «No hemos visto nada como esto en otros animales».

Los investigadores aún no saben qué función podría cumplir este diseño anatómico, pero tienen algunas ideas.

«Algunos documentos más antiguos han estado compartiendo ideas interesantes», dijo Hale. “Un estudio de la década de 1950 mostró que cuando manipulas un brazo de un lado de un pulpo con áreas dañadas en el cerebro, verás que los brazos responden del otro lado. Entonces podría ser que estos nervios permitan un control descentralizado de una respuesta o comportamiento reflexivo. Dicho esto, también vemos fibras que salen de los cordones nerviosos hacia los músculos a lo largo de su longitud, por lo que también pueden permitir una continuidad de la retroalimentación propioceptiva y el control motor a lo largo de su longitud».

Actualmente, el equipo está realizando experimentos para ver si pueden obtener información sobre esta pregunta mediante el análisis de la fisiología de los INC y su diseño único. También están estudiando los sistemas nerviosos de otros cefalópodos, incluidos los calamares y las sepias, para ver si comparten una anatomía similar.

En última instancia, Hale cree que, además de iluminar las formas inesperadas en que una especie de invertebrado podría diseñar un sistema nervioso, comprender estos sistemas puede ayudar en el desarrollo de nuevas tecnologías de ingeniería, como los robots.

«Los pulpos pueden ser una inspiración biológica para el diseño de dispositivos submarinos autónomos», dijo Hale. “Piense en sus brazos: pueden doblarse en cualquier lugar, no solo en las articulaciones. Pueden girar, extender los brazos y operar ventosas, todo de forma independiente. La función de un brazo de pulpo es mucho más sofisticada que la nuestra, por lo que comprender cómo los pulpos integran la información sensoriomotora y el control del movimiento puede ayudar al desarrollo de nuevas tecnologías».

Referencia: «Múltiples cordones nerviosos conectan los brazos del pulpo, proporcionando vías alternativas para la señalización entre los brazos» por Adam Kuuspalu, Samantha Cody y Melina E. Hale, 28 de noviembre de 2022, biología actual.
DOI: 10.1016/j.cub.2022.11.007

El estudio fue financiado por la Oficina de Investigación Naval de los Estados Unidos.

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