Da li mozgovi oktopoda funkcionišu kao ljudski — ili postoji drugi način da se bude pametan?

Baš kao kičmenjaci, glavonošci — poput oktopoda i lignje — imaju složene mozgove. Neuronaučnici ih proučavaju da bi saznali kako je inteligencija evoluirala, piše Nature.

Tri srca; plava krv; bez skeleta; ekstremiteti kao jezici. Ovo su samo neke čudne osobina oktopoda, lignji i sipa — pripadnika porodice glavonožaca. Lista neobičnih odlika se nastavlja: koža glavonožaca može da okusi hemikalije, oseća svetlost i brzo promeni boju i teksturu. Kod mnogih vrsta, pipci prekriveni strukturama za prilepljivanje mogu čak da se regenerišu.

Preporučujemo

Ovi beskičmenjaci evoluiraju nezavisno od linije kičmenjaka duže od 600 miliona godina. Njihov poslednji zajednički predak je verovatno bilo neko crvoliko stvorenje sa elementarnim nervnim sistemom i zonama ćelija nalik očima, osetljivim na svetlost.

Uprkos ovom evolucionom jazu, kičmenjaci i ovi visokospecijalizovani mekušci imaju neobične sličnosti. Njihove oči, na primer – jezivo je koliko su slične, kaže Kristofer Nil, neuronaučnik sa Oregonskog univerziteta u Judžinu. „Konvergentna evolucija oka me još zapanjuje“.

Jedna od sličnosti podstiče neuronauku glavonožaca. Pre oko 400 miliona godina, sipe, lignje i oktopodi odvojili su se od jedinih drugih živih glavonožaca — nautilusa. Onda su izgubili zaštitne školjke i razvili mozgove koji su specifično veliki među beskičmenjacima. Ovi mozgovi daju mekanim glavonošcima visoku inteligenciju. Sipe, lignje i oktopodi imaju izvrsno pamćenje, koriste oruđe i vešto rešavaju probleme; imaju koncept vremena i sposobni su za odloženo zadovoljstvo.

Glavonošci su jedine životinje beskičmenjaci koje imaju velike, pametne mozgove, kaže Klif Regsdejl, neuronaučnik sa Čikaškog univerziteta u Ilinoisu. I to predstavlja jedinstvenu priliku. Neuronaučnici su stekli vrlo mnogo znanja o tome kako funkcionišu mozgovi kičmenjaka, ali se sve više okreću ka glavonošcima tragajući za uvidima u načine izgradnje velikih, visokofunkcionalnih nervnih sistema.

„Izuzetno je uzbudljivo za nas koji želimo da shvatimo pravila rada mozga“, kaže Keri Albertin sa Harvardskog univerziteta. „Veoma je jasno da se radi o složenom mozgu koji pokreće složena ponašanja“.

Međutim, niz etičkih izazova prati proučavanje tih moćnih mozgova. Kičmenjaci korišćeni u naučnim istraživanjima imaju jake pravne zaštite, ali to nije uvek slučaj sa beskičmenjacima. Čak i najbolji napori da se obezbedi standardna briga su ograničeni — na primer, ograničene su opcije za ublažavanje bola kod glavonožaca.

Ipak, tokom poslednje decenije, a naročito poslednjih nekoliko godina, neuronaučnici preoblikuju instrumente moderne neuronauke i molekularne genetike — uglavnom razvijene u slučaju miševa i drugih životinja koje služe kao modeli — za upotrebu kod ovih tajanstvenih beskičmenjaka. „Mnogo je bioloških pitanja koja nisu istražena modernim ćelijskim i molekularnim pristupom“, kažu naučnici.

Izgradnja mozga

Najosnovniji pogled na nervni sistem glavonožaca otkriva da postoji više načina za izgradnju velikog, pametnog mozga. Za početak, mozgovi glavonožaca su organi u obliku krofne izgrađeni oko jednjaka. Štaviše, veliki broj neurona — više od polovine kod oktopoda — nalazi se u osam nervnih snopova, ili mini-mozgova, koji kontrolišu pipke.

Čak su i sistemi koji obavljaju prepoznatljive funkcije zagonetni. Iako su oči oktopoda slične očima kičmenjaka, vizuelni sistem u mozgu nije sličan. „Teško je reći kako se razlikuju. Jednostavno nemamo pojma kako to funkcioniše“, kažu naučnici.

„Nervni snop oktopodovog ekstremiteta nazivamo užasnim sivim špagetima“, kaže Robin Kruk, neurobiolog sa Državnog univerziteta San Francisko. „Sve je sićušno. Nema čvorova. Nema velikih ćelija i malih ćelija. Užasno je neorganizovano, a ipak, očigledno, ima smisla“.

Pored drugačijeg izgleda, ovi neuroni takođe komuniciraju na nekoliko izrazito različitih načina. Na primer, naučnici su pokazali da vizuelni sistem oktopoda sadrži dopaminski receptor koji funkcioniše drugačije nego kod kičmenjaka. Receptor oktopoda je jonski kanal koji je otvoren direktno dopaminom, što omogućava jonima da prolaze, dok se receptor kičmenjaka aktivira kad se dopamin veže za njegovu površinu, što pokreće biohemijsku signalizaciju unutar neurona.

Glavna pitanja su da li su ove razlike samo nebitne i da li mozgovi glavonožaca funkcionišu po istim principima kao mozgovi kičmenjaka. Kad budu mapirani, može se ispostaviti da su sklopovi neurona organizovani na slične načine i kod glavonožaca i kod sisara, kažu neuronaučnici iz Instituta Maks Plank za istraživanje mozga u Frankfurtu. „Međutim, možda morate biti još apstraktniji od toga i otkriti koja se računica obavlja pre nego što nađete paralele“.

Bez obzira da li mozgovi glavonožaca funkcionišu kao kod kičmenjaka, njihovo izučavanje bi trebalo da bude dobitak u svakom slučaju. „Ili će nam pokazati da postoje fundamentalni principi koji su zajednički svim mozgovima“, kaže Tesa Montag sa Univerziteta Kolumbija u Njujorku. „Ili, ako zaista funkcionišu drugačije, to je takođe prilično impresivno jer pokazuje da postoje različiti načini za izgradnju složenog, funkcionalnog mozga“.

Klasični model

Neuronauka već duguje veliku zahvalnost glavonošcima. Godine 1929, otkrivena je grupa nervnih ćelija lignje koje proizvode nervna vlakna široka do jednog milimetra. Zoolog Džon Zakari Jang je odmah shvatio da bi fiziolozi mogli implantirati elektrode u ova vlakna. Taj uvid je značio da naučnici mogu dešifrovati temelje načina kako neuroni ispaljuju električne impulse.

Međutim, Janga je uglavnom zanimala kognicija. Sa kolegom Brajanom Bojkotom, pronašao je bihevioralne dokaze kratkoročnog i dugoročnog pamćenja kod oktopoda — baš kao što su drugi naučnici tada dokumentovali kod ljudi.

Ipak, uprkos Jangovom proslavljenom radu, oktopodi nikad nisu postali rasprostranjen model za proučavanje kognicije. Jedan razlog bio je taj što je proučavanje mozga glavonošaca predstavljalo ogromnu tehničku teškoću. Bojkot je, na primer, 17 godina bezuspešno pokušavao da napravi stabilne snimke nerava kod živih životinja, da bi na kraju postao toliko frustriran da je napustio tu oblast.

Čak i izvan mozga, sa glavonošcima nije lako raditi. Oktopodi se, na primer, ne razmnožavaju u zatočeništvu, što znači da istraživači moraju da se oslanjaju na životinje uhvaćene u divljini. Polako su druge vrste postale privlačnije kao modeli. Od 1970-ih nadalje, morski puž Aplysia i druge životinje sa jednostavnijim mozgovima ponudili su pogodnije modele za pamćenje na neuronskom nivou.

Neka istraživanja glavonožaca su nastavljena u specijalizovanim ustanovama, kao što je Laboratorija za morsku biologiju u Vuds Holu u Masačusetsu, a nekoliko neuronaučnika je čak prešlo sa konvencionalnih modela na proučavanje oktopoda.

Njihov rad je pokazao da posedovanje tela koje se drastično razlikuje od kičmenjaka znači jasne neuronske razlike. Glavonošci nemaju kosti pomoću kojih bi generisali kontrakciju, silu ili krutost u svojim ekstremitetima. Stoga njihov motorni sistem funkcioniše pod veoma drugačijim uslovima u odnosu na sistem kičmenjaka. Ove razlike dovode do fundamentalno različitih mehanizama za planiranje i izvođenje pokreta.

U pogledu pamćenja, međutim, postoje neke upadljive paralele između glavonožaca i kičmenjaka. Neke oblasti mozga oktopoda, na primer, koriste oblik sinaptičkog jačanja — za koji se smatra da je osnova formiranja novih sećanja — koji je sličan procesu kod sisara. Međutim, to se postiže putem različitih molekularnih mehanizama. „Vidimo divnu konvergenciju, postignutu na potpuno različite načine“, kažu naučnici.

Radi tog otkrića je korišćen metod preuzet direktno od neuronauke sisara: proučavanje neurofiziologije u moždanim režnjevima održavanim u životu satima. Neuronaučnici sad pokušavaju da prilagode tehnologije iz oblasti biologije sisara.

Jedna od prvih stavki u modernom proučavanju glavonožaca bilo je sekvenciranje genoma oktopoda, objavljeno 2015. Taj rad je pružio zanimljive uvide. Na primer, otkriveno je da su se dve velike porodice gena koje su se razvile za ključne uloge u oblikovanju nervnog sistema kod kičmenjaka slično proširile kod oktopoda, mada putem drugačijeg mehanizma. Međutim, studija je poslala i sociološki signal, kažu autori. Oktopod je ušao u eru molekularne biologije.

Od tada su se ovoj oblasti pridružili istraživači sa širokim spektrom interesovanja. Mnogi se pitaju kako proces koji su proučavali na miševima i drugim modelima funkcioniše kod glavonožaca.

Proučavano je kako sisari upravljaju kretanjem koristeći grupu neurona u hipokampusu. Ove „ćelije lokacije“ se aktiviraju kad je životinja na određenoj lokaciji. Kako oktopodi izvode navigaciju? Da li oni imaju ćelije lokacije?

Sisari, ribe i muve su korišćeni da bi se otkrilo kako je okruženje predstavljeno u oblastima mozga koje obrađuju senzorne informacije, a istraživanje se proširuje sa posmatranjem kamuflaže sipa. Glavonošci kontrolišu boju i šare svoje kože direktno putem nervne aktivnosti i mogu menjati boje kako bi se uklopili u okruženje — dajući prikaz moždane aktivnosti koju percepcija izaziva.

Godine 2023, pokazano je da sipe za samo nekoliko sekundi pronalaze optimalno podudaranje sa svojom okolinom prolazeći kroz niz približnih varijanti. Sad se istražuje kako procenjuju kvalitet opcija.

Istovremeno, istraživači u Japanu su objavili rad koji pokazuje da oktopodi imaju nalete brzih promena boje kože dok spavaju, što sugeriše da možda sanjaju.

Optički režanj glavonožaca, kao početna struktura za vizuelno procesuiranje, donekle je sličan mrežnjači kičmenjaka. Godine 2022, analizirana je genska ekspresija u pojedinačnim neuronima i identifikovano je šest glavnih klasa ćelija. Posmatrajući lokacije ćelija, istraživači su otkrili ranije nepoznatu slojevitu organizaciju. Zatim su proučavali neuronske odgovore na vizuelne stimuluse.

Ove početne karakterizacije otkrile su sličnosti i razlike između oktopoda i drugih životinja. Na primer, istraživači su pronašli mapu vizuelnog prostora u mozgu oktopoda, uobičajenu odliku širom životinjskog carstva. Takođe, oktopodi imaju neurone koji specifično reaguju na neke vizuelne odlike, poput orijentacije linija ili mreža, kao sisari.

„Postojaće neki zajednički principi, ali verovatno i stvari koje su potpuno nove, koje predstavljaju ili drugačije rešenje za isti problem — ili rešavaju probleme koje naš vizuelni sistem ne mora“, kažu naučnici.

Kad je izrađen delimični konektom — veoma detaljna mapa svih sinaptičkih veza između neurona — za vertikalni režanj oktopoda, pronađena je mešavina poznatih i novih principa. Istraživači su otkrili neke male, jednostavne — i veoma brojne — neurone za koje veruju da imaju funkciju analognu pojedinačnim granama na složenijim neuronima sisara.

Mukotrpan posao

Nije svaku tehniku koja se koristi za druge životinje lako prilagoditi glavonošcima. Jedna metoda koja se pokazala teškom je snimanje među velikim brojem pojedinačnih neurona. Kod sisara, takva in vivo snimanja su pokretačka snaga u ovoj oblasti. Ove tehnike doprinose bitnom cilju neuronauke: razumevanju kako neuroni, pojedinačno i u grupama, reaguju na stimuluse i generišu ponašanje.

Međutim, sve je malo teže kod glavonožaca. Jedan veliki problem je to što glavonošci nemaju lobanje — što znači da ne postoji čvrsta površina na koju bi se fiksirale elektrode. Štaviše, ako ostavite nešto da viri iz glave oktopoda, životinja će to verovatno ukloniti. Fundamentalnije, mala veličina većine neurona glavonožaca i njihova intrinsična električna svojstva čine ih težim za snimanje nego kod kičmenjaka.

Postoje i druge specifičnosti. Mnoge vrste glavonožaca mogu menjati boju radi kamuflaže. Međutim, oktopodi su „akrobate“ — njihova fleksibilna tela otežavaju praćenje promena pigmenta i šara. Zbog toga naučnici rade sa sipama, jer je njihova pljosnata tela lakše snimati.

Istraživači razvijaju instrumente za nekoliko vrsta istovremeno — što je teži pristup nego fokusiranje na jednu vrstu, ali ima prednosti. Na primer, kreiraju se genetski modifikovane sipe i stvara se CRISPR sistem za modifikaciju gena kod vrste lignji koja je mala i dobro se razmnožava u laboratoriji.

Uspostavljanje novog životinjskog modela je težak posao i treba pohvaliti napore u cilju razvoja metoda snimanja. Velika briga je cena laboratorije. „Glavonošci su neverovatno skupi i zahtevaju krajnje stručnu negu“, kažu istraživači.

Raznolika zaštita

Zakoni u pogledu dobrobiti glavonožaca uveliko se razlikuju širom sveta. Različiti ljudi rade u potpuno različitim uslovima. U Japanu i Sjedinjenim Državama ne postoje zakonski zahtevi u smislu etike, dok Evropa i Ujedinjeno Kraljevstvi imaju vrlo stroga etička pravila. Ti stroži zahtevi odražavaju pravnu zaštitu kičmenjaka koji se koriste u istraživanju, uključujući adekvatnu anesteziju i ublažavanje bola kad je potrebno.

Zaštitne mere su uvedene u Evropi i UK tokom 2010-ih. Međutim, napori da se to učini u SAD su zastali, ostavljajući laboratorije sa ograničenim zakonskim obavezama. (Istraživači bazirani u SAD kažu da dobrovoljno prate evropske smernice.)

Istraživanje podržava ideju da glavonošci osećaju bol. Međutim, izgleda da nijedan analgetik razvijen za sisare ne deluje kod glavonožaca, a lokalni anestetici imaju ograničenu efikasnost. Istraživači tragaju za jedinjenjima koja ublažavaju bol kod glavonožaca. Razvijanje životinjskog modela sa veoma malo znanja o tome kako ukloniti bol je „etičko minsko polje“, kaže Kruk.

Uprkos potrebi za oprezom, istraživači su uzbuđeni zbog proširenja životinjskih modela i, za razliku od postepenog napretka viđenog kod drugih modela, mnoge tehnologije stižu istovremeno. „Činjenica da su svi odjednom uključeni je fascinantna. Ovo je zaista drugačiji način uspostavljanja nekog polja u neuronauci“.

(Telegraf Nauka/Nature)