Смелая попытка составить карту оптической доли мозга осьминога, клетка за клеткой, выявила зрительную систему, которая имеет поразительные сходства и различия с человеческой системой.
Параллели особенно интересны, потому что они говорят о кажущейся случайной природе конвергентной эволюции.
Люди и осьминоги произошли от общего предка 500 миллионов лет назад, и тем не менее то, как эволюционировали наши соответствующие зрительные системы для решения одних и тех же проблем, поразительно. Несмотря на различную морфологию, образ жизни и среду обитания, позвоночные и осьминоги независимо друг от друга развили зрачок и хрусталик, например, направляющие свет на сетчатку.
Мягкотелые головоногие моллюски — кальмары, осьминоги и каракатицы — имеют самый большой мозг среди всех беспозвоночных, при этом две трети их центральной обрабатывающей ткани предназначены только для зрения.
Как и следовало ожидать, у этих морских существ действительно хорошее зрение даже в темноте. Кожа осьминога содержит те же пигментные белки, что и его глаза, что позволяет дерме «видеть» детали своего окружения и соответствующим образом маскироваться.
Нынешнее исследование, проведенное учёными из Орегонского университета, является первым, в котором была полностью отображена зрительная система осьминога. Для этого потребовался анализ более 26 000 клеток, собранных во время вскрытия двух молодых калифорнийских двухточечных (Octopus bimaculoides) осьминогов.
Хотя мозг этих молодых осьминогов полностью функционировал, казалось, что они находятся в процессе роста. На самом деле почти треть нейронов, распределённых по зрительным долям, выглядела так, как будто они всё ещё развивались.
Когда исследователи секвенировали клетки головоногих, они обнаружили четыре основные популяции, каждая из которых вырабатывала разные химические сигналы: некоторые высвобождали дофамин, некоторые высвобождали ацетилхолин, некоторые высвобождали глутамин, а третьи давали сигналы как с помощью дофамина, так и глутамина.
Эти нейротрансмиттеры также обнаружены в мозге позвоночных, как и в нашем собственном, но в мозгу головоногих было несколько меньших кластеров нейронов, которые экспрессировали уникальные химические вещества.
Фото: hightech.fm
Например, было обнаружено, что кольцо клеток вокруг оптической доли вырабатывает октопамин, нейротрансмиттер, тесно связанный с гормоном норадреналин в нашем организме.
Что именно октопамин делает с осьминогами, остаётся загадкой, для решения которой потребуются дополнительные исследования. Однако известно, что он активен в мозгу плодовых мушек, когда они летают, и важен для многих других беспозвоночных для функций, связанных с подготовкой их тел и нервной системы к действию.
Эта новая карта мозга осьминога может помочь будущим усилиям. Исследователи выявили несколько генетических факторов транскрипции и сигнальных молекул, уникальных для осьминогов, которые, вероятно, каким-то образом помогают формировать развитие нервной системы.
Дальнейшие исследования могут удалить или приглушить эти факторы, чтобы выяснить их возможную роль в мозге головоногих.
«Атлас, который мы здесь приводим, представляет собой дорожную карту для таких исследований и, в более общем плане, указывает путь к раскрытию функциональной и эволюционной логики зрительной системы головоногих», — пишут авторы.
Подобно позвоночным, зрительная система осьминога устроена слоями, но не так, как система человека. Разнообразие типов клеток и способ их организации в мозгу головоногих принципиально отличаются.
«На очевидном уровне нейроны не сопоставляются друг с другом — они используют разные нейротрансмиттеры», — объясняет биолог Крис Ниелл из Орегонского университета. «Но, может быть, они выполняют те же самые вычисления, только по-другому».
Один из самых больших вопросов заключается в том, как развивается зрительная система головоногих моллюсков.
Осьминоги тратят годы на выращивание массивного мозга, но как информация, поступающая с сетчатки, помогает управлять этим ростом?
У позвоночных фоторецепторы сетчатки не связаны напрямую с мозгом. Вместо этого они передают сообщения другим нейронам. Но у головоногих фоторецепторы соединяются прямо с оптическими долями мозга.
Необходима дальнейшая работа, чтобы изучить, как эти прямые сообщения влияют на развитие незрелых нейронов и как так много незрелых нейронов, наконец, интегрируются в зрелую зрительную систему.
Найл и его коллеги сейчас продолжают свою работу по составлению карты оставшейся трети мозга осьминога. Данное исследование было опубликовано в журнале Current Biology.