Octopus-Nearly无限运动的可能性

章鱼是食肉动物的动物生活在洞穴和岩石之间的利基市场。章鱼表现出复杂的行为,非常聪明,有很高的运动技能。在这种情况下,“电动机”指运动和运动、章鱼有几个复杂的运动模式,如:行走、爬,攀爬。他们游泳使用他们的武器;离开危险区域,它们喷出一个强有力的喷射的水,有时混有墨水,从他们虹吸。墨水可以云的视觉捕食者和吓跑他们。章鱼用空椰子和蛤壳建造庇护所,和他们有一个奇妙的能力改变自己的肤色和身体结构伪装自己的环境。

章鱼主要由柔软,灵活的组织。八臂灵活和有大约300吸盘每个以及数以百万计的感觉受体,主要钢圈的吸盘,口感和味觉(图1)。章鱼品味它的环境和对象的手臂上遇到使用吸盘。灵活的武器和吸盘的组合可以有效地捕捉和查看任何对象在其环境。章鱼使用武器来捕捉食物,使食物的嘴,打开蛤蜊,捕捉动物藏在或在珊瑚和石头,和各种类型的运动。

在实验室里,用自己的手臂,章鱼能够消除大量覆盖他们的水族馆和逃避;打开一罐的盖子挑选螃蟹(视频1),或进入弯曲迷宫拔出一块食物。有很多复杂的操作,章鱼执行使用他们的武器需要一个成熟的电机控制系统。电机控制系统作用是启动,直接和年级有目的的随意运动。为了有效执行适当的运动为他们需要满足的目的(如捕捉猎物,把食物放进嘴里,运动)章鱼的电动机控制系统必须有效地处理大量的感官信息来自成千上万的感觉受体章鱼的身体和它必须学习所有这些信息和记忆经验。

在人类身体运动控制如何?

控制身体有八个灵活的武器对电动机控制系统是一个伟大的挑战。硬骨骨骼,已经开发出人类和其他动物的数量限制可能的动作,但骨架也减少可能的身体姿势,使电动机控制容易得多。例如,让我们以人类的手臂。我们上臂和前臂(下臂),这两个包含骨头,因此不能改变他们的形状。上臂和前臂的骨头之间有一个的手肘。肘关节使前臂在上臂相比只有一个点。这个运动是相当有限的:如果肩膀不动,前臂只能向上或向下移动。即使我们考虑更复杂的手的手指关节,不同姿势的数量我们可以创建我们的手相比非常小的数量与其完全不同的可能的姿势章鱼可以创建灵活的武器和它有8个!

章鱼的灵活性的原因是没有骨骼僵硬的手臂,这意味着每一部分沿着整个手臂可以弯曲,扭转,甚至改变它的长度和厚度。因此,许多可能的手臂姿势和身体位置的电动机控制系统必须记录在这样一个灵活的身体几乎是无限的。数量有限的人体姿势可以让大脑直接控制和监控的位置的每个部分的身体每时每刻。这就是为什么我们可以执行许多操作没有看到我们的身体,等我们背后的双手鼓掌:大脑简单知道四肢没有看到他们,也就是本体感觉。持续监控所有身体部位的位置章鱼是不切实际的,因为这样大量的身体状况不能代表在大脑中。

章鱼如何控制它的身体吗?

章鱼有相对较大的神经系统,包含约十亿个神经细胞,类似于一只兔子的神经系统。该系统有三个主要的中心:中央大脑;两个光叶处理信息来自眼睛,周围神经系统的手臂,包含三分之二的章鱼的身体的神经细胞。相对较少的神经细胞连接这三个中心。章鱼神经系统的结构告诉我们,大部分的手臂运动的武器控制。我们认为章鱼的大脑主要是用来激活电机项目已经出现在武器(2]。

如果章鱼的手臂截肢,手臂保持住几个小时,退出痛苦的刺激(如少量),并执行典型的运动像手臂扩展(图2和视频2)。使用吸盘,截断臂可以运输食物或一个物体向底座的手臂,好像把它向嘴,或远离基地,如果移动远离嘴。截断臂甚至可以决定如何强烈坚持不同的对象。例如,手臂更有力地将新鲜的鱼比将一只煮熟的螃蟹5]。这告诉我们,许多常规操作,如扩展和收缩的手臂,控制臂本身的水平,减少大脑的工作。这种机制是一个明显的优势在动物像章鱼一样,身体的灵活和多分支结构将创建一个非常沉重的大脑。

运动项目已经出现在章鱼的胳膊

一个命令从大脑触发沿着手臂肌肉收缩事件的进展,使它挺直了身子,从基础(达到食品例如,看到图2)。研究表明,大脑只需要控制臂的速度扩展和基于arm的角度对身体,这决定了手臂运动的方向(3]。这种电机程序嵌入到手臂授权控制手臂和减少大脑的计算负载。

成功的扩展运动导致捕获猎物需要连续的运动将嘴里的猎物。重要的是要注意,每个点沿着手臂可以捕获猎物的地步。在一份研究铅Sumbre et al。4)显示了图2和视频2章鱼通常使用一个典型的运动手臂部分从基地到猎物分为三个部分:近端(靠近手臂的基础);内侧(中间)和远端(远离手臂的底部)。远端段捕获对象和作为的手,而在近端和中间段创建两个僵硬的肌肉收缩段,类似的长度,一个灵活的区域模拟它们之间的联合。这个设计类似于人类的手臂,除以关节上臂,前臂和手。带来了食物,嘴里章鱼弯曲内侧灵活的区域(“平行于一个肘”),一个典型的运动,只有三个可控参数结合起来。

重要的是要注意,在与人类手臂的章鱼的手臂可以匡正的胳膊,在每个运动关节的位置。这就是章鱼“杀死一石二鸟”:它降低几计算因素,但保持灵活性和效率允许它抓住一个对象在每个点沿着手臂,不仅在手里,就像人类。

为什么不是一个章鱼“捕获”本身?

如前所述,每个章鱼的武器配备300吸盘沿着它的长度。吸盘往往附加到几乎所有他们接触。为什么没有这些灵活的手臂触摸章鱼的身体的其他部分和“抓”呢?这个问题雪上加霜的是,章鱼似乎缺乏本体感觉,这意味着他们没有意识到他们的手臂的位置时,他们不能看见它们。

在实验室里,我们发现,章鱼的吸盘截肢的手臂从来没有抓到一个对象覆盖着章鱼的皮肤。我们甚至发现一种物质在章鱼吸盘的皮肤,抑制附件行动。这抑制似乎是由个人控制的吸盘,因为相邻的吸盘将不同只要其中一个触动章鱼的皮肤。大脑可以取消这种机制在独特的情况下,比如在与另一个章鱼或在交配。控制这种机制的吸盘是另一个有效的策略来减少大脑的工作,并允许章鱼控制其灵活和“粘性”武器,即使它不能看到他们。

总结

灵活,multi-armed章鱼的身体结构允许它来执行不同的和复杂的行为,但为其运动控制系统提供了一个巨大的挑战。应对挑战,一个独特的电机控制系统开发了章鱼。电动机控制的章鱼不仅仅发生在大脑的水平,而且在每个手臂的水平,甚至在个别吸盘。这大大简化了大脑的工作,并允许章鱼非常灵活,移动的方式帮助他们去解决复杂的问题。章鱼的研究者,我们相信其他独特而迷人的机制仍有待发现!

术语表

运动技能:↑运动技能是行动,涉及体内肌肉的运动。一个熟练的运动可以被定义为一个运动,结合四种不同的元素:力量,速度,精度和目的性。

虹吸:↑管或烟囱似的结构,使用一些海洋动物的呼吸。章鱼等其他目的利用虹吸喷射水,清洁的环境和运动。

吸盘:↑章鱼的手臂上附件结构,帮助动物抓取对象和执行其他操作。章鱼有多达2000的吸盘。

视频1:↑章鱼寻常的解决了一个新颖的问题。它打开一个螺纹盖的瓶子获得一块鱼。

电机控制系统:↑电机控制系统是神经系统的一部分,是控制运动功能(即运动)。

本体感觉:↑大脑的不同身体部位的位置,即使动物不能看见它们。

光叶:↑视叶为编码提供了一个系统的视觉输入,存储和解码产生特定的记录电动机响应(1]。

周围神经系统(pn):↑神经系统的一部分,是在中枢神经系统(对人类而言,在大脑和脊髓)。

电机项目:↑一系列命令,导致一个特定操作,如加强手臂肌肉的毕业“达到运动”(伸展手臂向特定对象通常赶上它)。

典型的运动:↑一个运动每次都执行同样的典型方式。

视频2:↑章鱼寻常的执行由弯曲达到运动传播向一块鱼。然后把它嘴里通过修改其手臂像人类肢体以精确的点对点的手臂运动的控制。

的利益冲突

作者声明,这项研究是在没有进行任何商业或财务关系可能被视为一个潜在的利益冲突。

---

引用

[1]↑1962年年轻,j . z。光叶的章鱼寻常的。菲尔。反式。r . Soc。Lond。B。245:19-58。doi: 10.1098 / rstb.1962.0005

[2]↑税,G。Hochner, b . 2017。体现组织章鱼寻常的形态学、远景和运动。前面。杂志。8:164。doi: 10.3389 / fphys.2017.00164

[3]↑古德菲瑞德,Y。,Flash, T。Yarom, Y。Fiorito, G。济夫,我。Hochner, b . 1996。章鱼的手臂运动组织:一个模型系统的控制为研究灵活的武器。j . >。16:7297 - 307。doi: 10.1523 / jneurosci.16 07297.1996 - 22

[4]↑Sumbre G。Fiorito, G。,Flash, T。Hochner, b . 2006。章鱼用人形策略来精确的点对点的手臂运动的控制。咕咕叫。医学杂志。16:767 - 72。doi: 10.1016 / j.cub.2006.02.069

[5]↑粉状的N。Levy, G。格拉索,f·W。Hochner, b . 2014。自我识别机制之间的皮肤和吸盘阻止章鱼武器互相干扰。咕咕叫。医学杂志。24:1271-5。doi: 10.1016 / j.cub.2014.04.024