I nuovi concetti nella ricerca biomedica e nell'ingegneria biomedica sono spesso ispirati dall'identificazione di strategie specifiche che le specie biologiche possiedono per affrontare le condizioni e le sfide ambientali e fisiologiche. Ad esempio, la comprensione delle proprietà di fluorescenza nelle lucciole ha portato allo sviluppo di nuovi sensori fluorescenti in grado di segnalare l'attività cellulare in altri organismi modello1; l'identificazione dei canali ionici attivati dalla luce nelle alghe ha portato allo sviluppo di neuromodulazione cellulare e temporale specifica basata sulla luce2,3,4,5; la scoperta di proteine nel pesce gatto di vetro che navigano secondo il campo magnetico terrestre ha portato allo sviluppo della neuromodulazione a base magnetica6,7,8,9,10,11; la comprensione del riflesso del sifone in Aplysia è stata strumentale alla comprensione delle basi cellulari del comportamento12,13,14.
I ricercatori continuano ad espandere l'attuale bioingegneria e la cassetta degli attrezzi filogenetica sfruttando i punti di forza unici e le nuove prospettive sulle funzioni fisiologiche che le specie di laboratorio non convenzionali detengono. Le agenzie federali stanno iniziando a sostenere queste linee di studi finanziando nuovi lavori eseguiti su diverse specie.
Un genere di animali con capacità uniche di anatomia e rigenerazione, nonché il controllo adattivo di ciascuna delle sue braccia, affascinanti biologi e ingegneri e un pubblico accattivante da ogni parte della società è Octopus17. In effetti, molti aspetti della fisiologia e del comportamento del polpo sono stati studiati negli ultimi decenni15,16,17,18,19,20,21,22,23,24,25,26 . Tuttavia, i recenti sviluppi della biologia molecolare ed evolutiva, della robotica, della registrazione del movimento, dell'imaging, dell'apprendimento automatico e dell'elettrofisiologia accelerano le scoperte relative alla fisiologia e al comportamento del polpo e le traducono in strategie innovative di bioingegneria27,28,29,30,31,32,33,34,35 ,36,37,38,39.
Qui descriviamo come impostare e mantenere l'allevamento del polpo, che sarebbe di interesse e rilevanza per scienziati e ingegneri di diversa estrazione, interessi scientifici e obiettivi. Tuttavia, i nostri risultati si concentrano sull'applicazione dei polpi nelle neuroscienze e nella ricerca neuroingegneria. Il polpo ha un sistema nervoso altamente sviluppato con 45 milioni di neuroni nel cervello centrale, 180 milioni di neuroni nei lobi ottici e altri 350 milioni di neuroni negli otto cordoni assiali e nei gangli periferici; in confronto, un cane ha un numero simile di neuroni e un gatto solo la metà di esso40. A differenza del sistema nervoso dei vertebrati, ci sono solo 32K fibre efferenti e 140K afferenti che collegano i milioni di neuroni nel cervello del polpo ai milioni di neuroni in ciascuno dei cordoni assiali del loro braccio40,41,42. Queste fibre relativamente poche interconnesse suggeriscono che la maggior parte dei dettagli per l'esecuzione dei programmi motori vengono eseguiti nel cordone assiale stesso, sottolineando il controllo neuronale distribuito in modo univoco che i polpi possiedono. Le braccia del polpo hanno uno straordinario controllo motorio fine che consente loro abilità di manipolazione come l'apertura dei coperchi dei barattoli, anche quando si trovano all'interno del contenitore. Questa capacità motoria prensile altamente sviluppata è unica per la classe dei cefalopodi (polpi, seppie e calamari)43.
Infatti, attraverso centinaia di milioni di anni di evoluzione, il polpo ha sviluppato un genoma e un sistema fisiologico notevoli e sofisticati43,44 che ha ispirato nuovi sviluppi e progressi in tutti i campi scientifici e ingegneristici. Ad esempio, un cerotto adesivo resistente all'acqua basato sulla struttura anatomica dei polloni del polpo può aderire a superfici bagnate e asciutte45; un materiale mimetico sintetico ispirato alla pelle mimetica del polpo può trasformare una superficie piatta 2D in una tridimensionale con protuberanze e buche46. Robot morbidi e autonomi in miniatura (ad esempio, Octobots) che in futuro potrebbero servire come strumenti chirurgici all'interno del corpo47; e sono stati sviluppati anche un braccio (ad esempio, OctoArm) collegato a un robot simile a un carro armato48. Molte specie di polpi sono utilizzate nella ricerca biomedica, ad esempio Octopus vulgaris, Octopus sinensis, Octopus variabilis e Octopus bimaculoides (O. bimaculoides); l'O. vulgaris e l'O. bimaculoides sono i più comuni34,49,50. Il recente sequenziamento di diversi genomi di polpo rende questo genere di particolare interesse e apre nuove frontiere nella ricerca sui polpi34,43,51,52.
O. bimaculoides utilizzata nel nostro set-up è una specie di polpo di medie dimensioni, scoperta per la prima volta nel 1949, che può essere trovata in acque poco profonde al largo della costa nord-orientale del Pacifico dalla California centrale al sud della penisola della Baja California17. Può essere riconosciuto dalle false macchie oculari sul suo mantello sotto i suoi occhi. Rispetto al polpo gigante del Pacifico (Enteroctopus dofleini) e al polpo comune (O. vulgaris), il polpo a due macchie della California (O. bimaculoides) è di dimensioni relativamente piccole, iniziando più piccolo di pochi centimetri, crescendo velocemente come un giovane. Se allevato all'interno di un laboratorio, la dimensione del mantello adulto può crescere fino a una dimensione media di 100 cm e pesare fino a 800 g53,54. I polpi hanno un periodo di crescita rapido entro i loro primi 200 giorni; da allora, sono considerati adulti e continuano a crescere per il resto della loro vita55,56,57. I polpi possono essere cannibali, specialmente quando entrambi i sessi sono alloggiati insieme all'interno di un serbatoio; pertanto, devono essere alloggiati singolarmente in serbatoi separati58.