章鱼面临着极其复杂的运动控制挑战。它的八个手臂中的每一个都是一个肌肉发达的静水器，一种软体结构，缺乏刚性骨架，可以近乎无限的自由度移动。而且，手臂上布满了数百个吸盘，可以独立改变形状。即使如此复杂，章鱼仍然可以有效地控制单臂、所有八臂以及吸盘之间的行为。在新的研究中，芝加哥大学的科学家发现，控制章鱼手臂运动的神经系统电路是分段的，使这些非凡的生物能够精确控制手臂和吸盘，以探索环境、抓住物体和捕获猎物。
卡塔利娜岛南加州大学瑞格利海洋科学中心的一只章鱼。图片来源：南加州大学。
“如果你想要有一个神经系统来控制这种动态运动，那么这是一个很好的设置方法，”芝加哥大学的克利夫顿·拉格斯代尔教授说。
“我们认为这是软体头足类动物特有的进化特征，这些软体头足类动物具有吸盘，可以进行类似蠕虫的运动。”
章鱼的每只手臂都有一个庞大的神经系统，八只手臂上的神经元数量比动物大脑中的还要多。
这些神经元集中在一条大的轴神经索（ANC）中，它沿着手臂来回蜿蜒，每一个弯曲都会在每个吸盘上形成一个扩大。
研究作者想要分析 ANC 的结构及其与手臂肌肉组织的联系加州两点章鱼（双斑章鱼）是一种小型物种，原产于加利福尼亚州海岸附近的太平洋。
他们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落。
他们尝试了纵向剥离手臂，运气更好，这导致了意想不到的发现。
他们使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堆积成柱状，形成节段，就像波纹管一样。
这些节段被称为隔膜的间隙隔开，神经和血管从那里通向附近的肌肉。
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。
芝加哥大学研究生卡萨迪·奥尔森 (Cassady Olson) 表示：“从建模角度考虑，为这个又长又灵活的手臂建立控制系统的最佳方法是将其分成几段。”
“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平滑运动。”
吸盘的神经也通过这些隔膜从 ANC 退出，系统地连接到每个吸盘的外边缘。
这表明神经系统为每个吸盘建立了一个空间或地形图。
章鱼可以独立移动并改变吸盘的形状。
吸盘上还布满了感觉受体，使章鱼能够品尝和闻到它们所触摸的东西，就像将手与舌头和鼻子结合起来一样。
研究人员认为，吸盘切除术（他们称之为地图）促进了这种复杂的感觉运动能力。
为了了解这种结构是否常见于其他软体头足类动物，研究人员还研究了长鳍近海鱿鱼（皮氏金龟子），这在大西洋中很常见。
这些鱿鱼有八只手臂，像章鱼一样有肌肉和吸盘，还有两条触手。
触手有一根长柄，没有吸盘，末端有一根有吸盘的棍棒。
在捕猎时，乌贼可以射出触手，用装有吸盘的棍棒抓住猎物。
使用相同的过程来研究鱿鱼触手的长条，科学家们发现没有吸盘的茎中的 ANC 没有被分割，但末端的俱乐部以与章鱼相同的方式被分割。
这表明分段 ANC 是专门为控制头足类动物任何类型的灵巧、带有吸盘的附肢而构建的。
然而，鱿鱼触手俱乐部的每个吸盘的节数较少，可能是因为它们不像章鱼那样利用吸盘来获得感觉。
鱿鱼更多地依靠视觉在开阔的水域中捕猎，而章鱼则在海底徘徊，并利用其敏感的手臂作为探索的工具。
虽然章鱼和鱿鱼在 2.7 亿多年前就出现了分歧，但它们如何用吸盘控制附肢部分的共同点以及不控制附肢部分的差异表明，进化总是设法找到最佳解决方案。
拉格斯代尔教授说：“具有这些充满吸盘的附肢并具有蠕虫般运动的生物体需要正确的神经系统。”
“不同的头足类动物已经形成了节段结构，其细节根据其环境的要求和数亿年进化的压力而有所不同。”
这学习发表在杂志上自然通讯。
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CS奥尔森等人。 2025.头足类动物臂的神经元分割。纳特·共同16、443；二：10.1038/s41467-024-55475-5
