八爪魚與人類不同，它們是有八條手臂的無脊椎動物，與蛤蜊和蝸牛的關係更為密切。儘管如此，它們已經進化出複雜的神經系統，其神經元數量與狗的大腦一樣多，使它們能夠表現出廣泛的複雜行為。這使得它們成為像芝加哥大學威廉-雷尼-哈珀生物教授和副教務長Melina Hale博士這樣的研究人員感興趣的課題，他們想了解替代性神經系統結構如何能夠執行與人類相同的功能，如感知肢體運動和控制運動。

在最近發表在《當代生物學》上的一項研究中，Hale和她的同事們發現了章魚神經系統的一個新的和令人驚訝的特徵：一種結構使幫助章魚感知其腕足運動的肌肉內神經索（INCs）能夠連接動物的相對兩側的腕足。

這一驚人的發現為無脊椎動物物種如何獨立進化出複雜的神經系統提供了新的見解。它還可以為機器人工程提供靈感，如新的自主水下設備。

在腕足基部的水平切片（標記為A）顯示口腔INCs（標記為O）的匯聚和交叉。資料來源：Kuuspalu等人，《當代生物學》，2022年

“在我的實驗室裡，我們研究機械感覺和本體感覺–四肢的運動和定位是如何被感知的，”Hale說。”這些INCs長期以來一直被認為是本體感覺，所以它們是一個有趣的目標，有助於回答我們實驗室正在問的各種問題。到目前為止，還沒有關於它們的大量工作，但過去的實驗表明，它們對腕足控制很重要。”

由於海洋生物實驗室對頭足類動物研究的支持，Hale和她的團隊能夠使用年輕的章魚進行研究，這些章魚足夠小，使研究人員能夠同時對所有八個腕足的底部進行成像。這使研究小組能夠通過組織追踪INCs，以確定其路徑。

芝加哥大學高級研究分析員、該研究的主要作者Adam Kuuspalu說：”這些章魚大約有五分錢或四分之一大小，所以在正確的方向上粘貼標本，並在切片[成像]時獲得正確的角度是一個必須的過程。”

最初，研究小組正在研究腕足中較大的軸向神經線，但開始注意到INCs並沒有在腕足的底部停止，而是繼續從腕足中出來，進入動物的身體。讓他們意識到在探索INCs的解剖學方面所做的工作很少，他們開始追踪這些神經，期望它們在章魚體內形成一個環，類似於軸向神經索。

通過成像，研究小組確定，除了貫穿每條腕足的長度外，四條INCs中至少有兩條延伸到章魚體內，在那裡它們繞過相鄰的兩條腕足，與第三條腕足的INCs合併。這種模式意味著所有的腕足都是對稱連接的。

然而，要確定該模式如何在所有八個腕足中保持，這是一個挑戰。”當我們在成像時，我們意識到，它們並不像我們預期的那樣都在一起，它們似乎都在向不同的方向發展，我們試圖弄清楚，如果這個模式在所有的腕足上都成立，那將如何運作？”Hale說。”我甚至拿出了那種兒童玩具–Spirograph觀察它最後會如何連接。在我們絞盡腦汁思考可能發生的事情時，我們花了很多時間進行成像和玩畫，然後才清楚這一切是如何結合在一起的。”

結果完全不是研究人員所期望的那樣。

“我們認為這是一個基於肢體的神經系統的新設計，”Hale說。”我們還沒有在其他動物身上看到過這樣的東西。”

研究人員還不知道這種解剖學設計可能有什麼功能，但他們有一些想法。

“一些較早的論文分享了有趣的見解，”Hale說。”20世紀50年代的一項研究表明，當你操縱大腦區域受損的章魚一側的腕足時，你會看到另一側的腕足有反應。因此，可能是這些神經允許對反射性反應或行為進行分散控制。也就是說，我們還看到，纖維從神經索出去，沿著它們的道進入肌肉，所以它們也可能允許沿其長度的本體感覺反饋和運動控制的連續性。”

該團隊目前正在進行實驗，看看他們是否能通過解析INCs的生理學和它們的獨特佈局來深入了解這個問題。他們還在研究其他頭足類動物的神經系統，包括烏賊和墨魚，看看它們是否有類似的解剖結構。

最終，Hale認為，除了闡明一個無脊椎動物物種可能設計神經系統的意外方式外，了解這些系統可以幫助開發新的工程技術，如機器人。

“八爪魚可以成為設計自主海底設備的生物靈感，”Hale說。”觀察它們的腕足–它們可以在任何地方彎曲，而不僅僅是關節處。它們可以扭動，伸展腕足，並操作它們的吸盤，所有這些都是獨立的。章魚腕足的功能比我們的要復雜得多，所以了解章魚如何整合感覺-運動信息和運動控制可以支持新技術的發展。”