Осьминог обладает впечатляющими когнитивными способностями и вызывает восхищение своим интеллектом. Однако, несмотря на такую репутацию, мы очень мало знаем о работе его мозга. Его расшифровка могла бы дать ценные подсказки для понимания самых сложных нервных систем, включая нашу собственную. Внимательно изучая нервную систему этих головоногих моллюсков, международная исследовательская группа впервые записала мозговые волны свободно передвигающихся особей. Это настоящий технический подвиг, который может привести к лучшему пониманию того, как мозг животных управляет их невероятным интеллектом и необычными когнитивными способностями.
Имея восемь конечностей, три сердца и несколько мозговых центров, обеспечивающих ему поразительный интеллект, осьминог является загадочным и увлекательным животным, иногда ускользающим от нашего понимания. "Они наиболее близки к изучению разумного инопланетянина на Земле", — говорит Сэм Райтер, исследователь из отдела вычислительной нейроэтологии Окинавского института науки и технологий (OIST) и специалист по колеоидным головоногим моллюскам.
Нервная система осьминога, состоящая из 500 миллионов нейронов, столь же обширна, как у собаки. Однако, в отличие от собак и других позвоночных, подавляющее большинство (более двух третей) нейронов осьминога распределено в его конечностях и других частях тела. Эта гигантская сеть нейронов позволяет ему решать сложные когнитивные головоломки, иметь обостренное восприятие окружающей среды и сливаться с ней, приманивать хищников, управлять своими восемью руками с идеальной координацией и т.д.
Новое исследование, проведенное под руководством OIST, направлено на определение того, как осьминог контролирует свои движения и поведение и какие мозговые цепи управляют этим контролем. В частности, каждое щупальце содержит более 200 присосок, движения и сокращения которых постоянно координируются для того, чтобы чувствовать и потенциально захватывать все, что находится в окружающей среде животного. Кроме того, каждое из этих щупалец может скручиваться и изгибаться по желанию в почти бесчисленное количество конфигураций. Координация движений должна осуществляться параллельно с контролем жизненно важных и автономных функций головоногого. Управление всем этим требует обработки очень большого количества информации в режиме реального времени. Для этого нервная система осьминога имеет очень необычную для беспозвоночных организацию
"Если мы хотим понять, как работает мозг, то по сравнению с млекопитающими осьминоги - идеальные животные для изучения", — говорит Тамар Гутник, соавтор нового исследования и в прошлом постдокторант отдела физики и биологии OIST. "У них большой мозг, невероятно уникальные тела и развитые когнитивные способности, которые развивались совершенно иначе, чем у позвоночных", — добавляет он.
Координированное управление главным мозгом
Учитывая наличие у осьминога восьми периферических нервных центров, исследователи давно предполагали, что управление каждым из щупалец животного происходит независимо от главного мозга. Кроме того, предыдущие исследования показали, что движения щупалец регулируются рефлекторными петлями, что позволяет им двигаться даже при отрыве от тела.
Однако последние исследования, похоже, показывают, что конечности животного более связаны с его главным мозгом, чем считалось ранее. В частности, результаты этих исследований показали, что щупальца осьминога обладают как проприоцепцией (способностью ощущать, где находится конечность и как она движется), так и способностью обрабатывать тактильную информацию. Таким образом, нервная система животного гораздо сложнее, чем считалось ранее.
Запись активности мозга осьминога: техническая проблема
Запись мозговых волн, описанная в новом исследовании, опубликованном в журнале , представляет собой настоящий технический подвиг. У осьминога мягкое тело, и в отсутствие черепа прикрепить электроды очень сложно. Кроме того, животное систематически отрывает любой предмет, прилипший к любой части его тела, благодаря гибкости конечностей. В результате запись электрической активности в нервной системе животного до недавнего времени была невыполнимой задачей.
Чтобы иметь возможность прикрепить записывающие устройства (которые работают при низком содержании воздуха), исследователи решили вживить их под кожу трем осьминогам Octopus cyanea. После анестезии осьминогов записывающее устройство было вставлено в полость в мышечной стенке на мантии. Электроды были имплантированы в вертикальную и верхнюю медиальную лобную долю животных. Эти области были наиболее легкодоступны, а также важны для зрительного обучения и памяти.
После операции осьминогов вернули в аквариум для наблюдения и съемок. В течение 12 часов после операции за ними наблюдали, как они спят, питаются и передвигаются. Затем записывающие устройства были извлечены и проанализированы путем синхронизации с видеозаписями наблюдения.
При наблюдении исследователи обнаружили несколько отчетливых паттернов мозговой активности, некоторые из которых по размеру и форме были похожи на те, что наблюдаются у млекопитающих. Удивительно, но были обнаружены также медленные и очень длительные колебания, которые никогда ранее не наблюдались ни у одного другого животного. В качестве следующего шага исследователи намерены наблюдать за этими электрическими колебаниями, заставляя осьминогов выполнять конкретные учебные задачи.