과학자들은 ‘신경계를 설계하는 완전히 새로운 방법’을 발견했습니다.

이 획기적인 발견은 무척추 동물 종의 복잡한 신경계 진화에 대한 새로운 통찰력을 제공하고 자율 수중 장치의 개발 및 로봇 공학의 기타 혁신에 영감을 줄 잠재력을 가지고 있습니다.

문어는 인간과 달리 8개의 팔을 가진 무척추 동물이며 조개 및 달팽이와 밀접한 관련이 있습니다. 그럼에도 불구하고 그들은 개의 뇌만큼 많은 뉴런을 가진 복잡한 신경계를 진화시켰고, 이를 통해 광범위한 복잡한 행동을 나타낼 수 있었습니다.

이것은 Melina Hill, Ph.D., 유기체 생물학의 William Rennie Harper 교수 및 University Vice Chancellor와 같은 연구자들에게 흥미로운 주제가 됩니다. 시카고대학교대체 신경계 구조가 사지 움직임 감지 및 움직임 제어와 같은 인간과 동일한 기능을 수행할 수 있는 방법을 이해하고자 하는 사람.

에 발표된 최근 연구에서 현재 생물학그런 다음 Hill과 그녀의 동료들은 문어 신경계의 놀라운 새로운 기능을 발견했습니다. 문어가 팔의 움직임을 감지하는 데 도움이 되는 신경근 코드(INC)가 동물의 양쪽 팔에 연결될 수 있도록 하는 구조입니다.

이 놀라운 발견은 무척추동물이 어떻게 복잡한 뉴런 종을 독립적으로 진화시켰는지에 대한 새로운 통찰력을 제공합니다. 또한 새로운 자율 수중 장치와 같은 로봇 공학에 영감을 줄 수 있습니다.

순측 INC(O로 표시)의 수렴 및 교차를 보여주는 팔 밑면(A로 표시)의 수평 슬라이스. 크레딧: Kuuspalu et al. , 현재 생물학2022년

“내 연구실에서 우리는 기계 감각과 고유 감각을 연구합니다. 사지 움직임과 위치가 어떻게 감지되는지”라고 Hill은 말했습니다. “이러한 INC는 오랫동안 감각적이라고 생각되어 왔기 때문에 우리 연구실에서 묻는 질문에 답하는 데 도움이 되는 흥미로운 대상이었습니다. 지금까지 INC에 대한 작업이 많이 수행되지 않았지만 이전 실험에서 다음과 같이 나타났습니다. 팔 제어에 중요합니다.”

해양 생물학 연구소에서 제공한 두족류 연구 지원 덕분에 Hill과 그녀의 팀은 아기 문어를 연구에 사용할 수 있었습니다. 이 문어는 연구원이 한 번에 여덟 팔의 바닥을 이미지화할 수 있을 만큼 작았습니다. 이를 통해 팀은 조직을 통해 INC를 추적하여 궤적을 결정할 수 있습니다.

“이 문어는 크기가 5센트 정도나 4분의 1 정도였기 때문에 표본을 올바른 방향으로 붙이고 자르는 동안 올바른 각도를 얻는 과정이었습니다. [for imaging]UChicago의 수석 연구 분석가이자 연구의 수석 저자인 Adam Koospalo는 말했습니다.

처음에 팀은 팔에 있는 더 큰 축삭 신경 코드를 연구하고 있었지만 INC가 팔 바닥에서 멈추지 않고 오히려 팔에서 동물의 몸으로 계속된다는 것을 알아차리기 시작했습니다. INC 분자의 해부학적 구조를 탐구하기 위해 수행된 작업이 거의 없음을 깨닫고 그들은 신경을 추적하기 시작했으며 신경이 축삭 신경 코드와 유사한 문어의 몸에서 루프를 형성할 것으로 예상했습니다.

이미징을 통해 팀은 각 팔의 길이를 달리는 것 외에도 4개의 INC 중 최소 2개가 문어의 몸으로 확장되어 인접한 팔을 우회하고 세 번째 팔의 INC와 융합한다는 것을 확인했습니다. 이 패턴은 모든 팔이 대칭적으로 연결되어 있음을 의미합니다.

그러나 패턴이 8개의 팔 모두에서 어떻게 유지되는지 말하기는 어려웠습니다. “촬영하면서 우리는 그것들이 모두 우리가 예상한 것처럼 함께 오지 않는다는 것을 깨달았고, 그것들은 모두 다른 방향으로 가고 있는 것 같았고, 패턴이 모든 팔에 대해 일관되는지, 어떻게 일하다?” 힐이 말했다. “심지어 어린이용 장난감 중 하나인 Spirograph를 가져와 어떻게 생겼는지, 그리고 결국에는 모든 것이 어떻게 연결되는지를 가지고 놀았습니다. 우리가 무엇을 할지 머리를 쓰면서 많은 시간을 촬영하고 그래픽을 가지고 놀았습니다. 모든 것이 어떻게 조화를 이루는지 명확해지기 전에 일어날 수 있습니다.” .

그 결과는 연구원들이 기대했던 것과 전혀 달랐습니다.

“우리는 이것이 새로운 사지 기반 신경계 디자인이라고 생각합니다.”라고 Hill은 말했습니다. “우리는 다른 동물에게서 이와 같은 것을 본 적이 없습니다.”

연구자들은 이 해부학적 디자인이 어떤 기능을 할 수 있는지 아직 알지 못하지만 몇 가지 아이디어는 가지고 있습니다.

“오래된 연구 논문 중 일부는 흥미로운 통찰력을 공유했습니다.”라고 Hill은 말했습니다. 1950년대의 한 연구에 따르면 뇌 영역이 손상된 문어의 한쪽 팔을 조작하면 다른 쪽 팔이 반응하는 것을 볼 수 있습니다. 따라서 이러한 신경은 반사 반응이나 행동의 분산된 제어를 허용할 수 있습니다. 그러나 우리는 또한 섬유가 신경 코드에서 관을 따라 근육으로 나가서 길이에 따라 알레르기 반응과 운동 제어의 연속성을 허용할 수도 있음을 알 수 있습니다. “

연구팀은 현재 INC의 생리와 고유한 매핑을 분석하여 이 질문에 대한 통찰력을 얻을 수 있는지 알아보기 위해 실험을 수행하고 있습니다. 그들은 또한 갑오징어를 포함한 다른 두족류의 신경계를 연구하여 유사한 해부학적 구조를 공유하는지 확인하고 있습니다.

궁극적으로 Hill은 무척추동물이 신경계를 설계할 수 있는 예기치 않은 방법을 밝히는 것 외에도 이러한 시스템을 이해하면 로봇 공학과 같은 새로운 엔지니어링 기술을 개발하는 데 도움이 될 수 있다고 믿습니다.

힐은 “문어는 바다 밑 자율 장치 설계에 생물학적 영감을 줄 수 있다”고 말했다. “팔을 생각해 보세요. 관절뿐만 아니라 어디에서나 구부릴 수 있습니다. 팔을 비틀고 뻗고 빨판을 모두 독립적으로 작동할 수 있습니다. 문어 팔의 기능은 우리보다 훨씬 복잡하므로 문어가 어떻게 통합되는지 이해합니다. 감각 운동 정보 및 움직임 제어는 새로운 기술 개발을 지원할 수 있습니다.

참조: “여러 개의 신경 코드가 문어의 팔을 연결하여 팔 사이의 신호 전달을 위한 대체 경로를 제공합니다.” Adam Koospalo, Samantha Cuddy 및 Melina E. Hill 작성, 2022년 11월 28일, 여기에서 사용 가능. 현재 생물학.
DOI: 10.1016/j.cub.2022.11.007

이 연구는 미국 해군 연구소(United States Office of Naval Research)의 자금 지원을 받았습니다.