章魚面臨著極為複雜的運動控制挑戰。它的八個手臂中的每一個都是一個肌肉發達的靜水器，一種軟體結構，缺乏剛性骨架，可以近乎無限的自由度移動。而且，手臂上佈滿了數百個吸盤，可以獨立改變形狀。即使如此複雜，章魚仍然可以有效控制單臂、所有八臂以及吸盤之間的行為。在新的研究中，芝加哥大學的科學家發現，控制章魚手臂運動的神經系統電路是分段的，使這些非凡的生物能夠精確控製手臂和吸盤，以探索環境、抓住物體和捕獲獵物。
卡塔利娜島南加州大學瑞格利海洋科學中心的一隻章魚。圖片來源：南加州大學。
「如果你想要有一個神經系統來控制這種動態運動，那麼這是一個很好的設定方法，」芝加哥大學的克利夫頓·拉格斯代爾教授說。
“我們認為這是軟體頭足類動物特有的進化特徵，這些軟體頭足類動物具有吸盤，可以進行類似蠕蟲的運動。”
章魚的每隻手臂都有一個龐大的神經系統，八隻手臂上的神經元數量比動物大腦中的還要多。
這些神經元集中在一條大的軸神經索（ANC）中，它沿著手臂來回蜿蜒，每一個彎曲都會在每個吸盤上形成一個擴大。
研究作者想要分析 ANC 的結構及其與手臂肌肉組織的聯繫加州兩點章魚（雙斑章魚）是一種小型物種，原產於加州海岸附近的太平洋。
他們試圖在顯微鏡下觀察手臂的薄圓形橫截面，但樣本不斷從玻片上掉落。
他們嘗試了縱向剝離手臂，運氣更好，這導致了意想不到的發現。
他們使用細胞標記和成像工具追蹤 ANC 的結構和連接，發現神經元細胞體被堆積成柱狀，形成節段，就像波紋管一樣。
這些節段被稱為隔膜的間隙隔開，神經和血管從那裡通往附近的肌肉。
來自多個節段的神經連接到肌肉的不同區域，這表明這些節段共同控制運動。
芝加哥大學研究生卡薩迪·奧爾森 (Cassady Olson) 表示：“從建模角度考慮，為這個又長又靈活的手臂建立控制系統的最佳方法是將其分成幾段。”
“各個部分之間必須有某種形式的溝通，你可以想像這將有助於平滑運動。”
吸盤的神經也透過這些隔膜從 ANC 退出，系統地連接到每個吸盤的外緣。
這顯示神經系統為每個吸盤建立了一個空間或地形圖。
章魚可以獨立移動並改變吸盤的形狀。
吸盤上也佈滿了感覺受體，使章魚能夠品嚐和聞到它們所觸摸的東西，就像將手與舌頭和鼻子結合起來一樣。
研究人員認為，吸盤切除術（他們稱之為地圖）促進了這種複雜的感覺運動能力。
為了了解這種結構是否常見於其他軟體頭足類動物，研究人員也研究了長鰭近海魷魚（皮氏金龜子），這在大西洋中很常見。
這些魷魚有八隻手臂，像章魚一樣有肌肉和吸盤，還有兩隻觸手。
觸手有一根長柄，沒有吸盤，末端有一根有吸盤的棍棒。
在捕獵時，烏賊可以射出觸手，用裝有吸盤的棍棒抓住獵物。
使用相同的過程來研究魷魚觸手的長條，科學家發現沒有吸盤的莖中的 ANC 沒有被分割，但末端的俱樂部以與章魚相同的方式被分割。
這表明分段 ANC 是專門為控制頭足類動物任何類型的靈巧、帶有吸盤的附肢而建造的。
然而，魷魚觸手俱樂部的每個吸盤的節數較少，可能是因為它們不像章魚那樣利用吸盤來獲得感覺。
魷魚更依賴視覺在開闊的水域中捕獵，而章魚則在海底徘徊，並利用其敏感的手臂作為探索的工具。
雖然章魚和魷魚在 2.7 億多年前就出現了分歧，但它們如何用吸盤控製附肢部分的共同點以及不控製附肢部分的差異表明，進化總是設法找到最佳解決方案。
拉格斯代爾教授說：“具有這些充滿吸盤的附肢並具有蠕蟲般運動的生物體需要正確的神經系統。”
“不同的頭足類動物已經形成了節段結構，其細節根據其環境的要求和數億年進化的壓力而有所不同。”
這學習發表在雜誌上自然通訊。
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CS奧森等人。 2025.頭足類動物臂的神經元分割。納特·共同16、443；二：10.1038/s41467-024-55475-5
