Nowe koncepcje w badaniach biomedycznych i inżynierii biomedycznej są często inspirowane identyfikowaniem konkretnych strategii, które gatunki biologiczne posiadają w celu radzenia sobie z warunkami i wyzwaniami środowiskowymi i fizjologicznymi. Na przykład zrozumienie właściwości fluorescencyjnych świetlików doprowadziło do opracowania nowych czujników fluorescencyjnych, które mogą raportować aktywność komórkową w innych organizmach modelowych1; Identyfikacja kanałów jonowych aktywowanych przez światło w algach doprowadziła do opracowania specyficznej dla komórek i czasu neuromodulacji opartej na świetle2,3,4,5; Odkrycie białek w szklanych sumach, które poruszają się zgodnie z polem magnetycznym Ziemi, doprowadziło do rozwoju neuromodulacji opartej na magnesach6,7,8,9,10,11; Zrozumienie odruchu syfonu w Aplysia odegrało kluczową rolę w zrozumieniu komórkowych podstaw zachowania12,13,14.
Badacze kontynuują rozwijanie obecnego zestawu narzędzi bioinżynieryjnych i filogenetycznych, wykorzystując unikalne mocne strony i nowe perspektywy na funkcje fizjologiczne, które posiadają niekonwencjonalne gatunki laboratoryjne. Agencje federalne zaczynają wspierać te kierunki badań, finansując nowatorskie prace prowadzone na różnych gatunkach.
Jednym z rodzajów zwierząt o unikalnej anatomii i zdolnościach do regeneracji, a także adaptacyjnej kontroli każdego z jego ramion, fascynującym biologów i inżynierów oraz urzekającym odbiorcom ze wszystkich części społeczeństwa, jest Octopus17. Rzeczywiście, wiele aspektów fizjologii i zachowania ośmiornicy zostało zbadanych w ciągu ostatnich dziesięcioleci15,16,17,18,19,20,21,22,23,24,25,26. Jednak najnowsze osiągnięcia w biologii molekularnej i ewolucyjnej, robotyce, rejestracji ruchu, obrazowaniu, uczeniu maszynowym i elektrofizjologii przyspieszają odkrycia związane z fizjologią i zachowaniem ośmiornic oraz przekładają je na innowacyjne strategie bioinżynieryjne27,28,29,30,31,32,33,34,35,36,37,38,39.
Tutaj opisujemy, jak założyć i utrzymać hodowlę ośmiornic, co byłoby interesujące i istotne dla naukowców i inżynierów z różnych środowisk, zainteresowań naukowych i celów. Niemniej jednak nasze wyniki koncentrują się na zastosowaniu ośmiornic w neuronauce i badaniach neuroinżynieryjnych. Ośmiornica ma wysoko rozwinięty układ nerwowy z 45 milionami neuronów w centralnej części mózgu, 180 milionami neuronów w płatach wzrokowych i dodatkowymi 350 milionami neuronów w ośmiu sznurach osiowych i zwojach obwodowych; Dla porównania, pies ma podobną liczbę neuronów, a kot tylko połowę40. W przeciwieństwie do układu nerwowego kręgowców, miliony neuronów w mózgu ośmiornicy łączą tylko 32 tys. włókien odprowadzających i 140 tys. aferentnych z milionami neuronów w każdym ze sznurów osiowych ramienia40,41,42. Te stosunkowo niewiele włókien łączących sugeruje, że większość szczegółów związanych z wykonywaniem programów motorycznych jest wykonywana w samym rdzeniu osiowym, co podkreśla unikalnie rozłożoną kontrolę neuronalną, jaką posiadają ośmiornice. Ramiona ośmiornic mają niezwykłą kontrolę motoryczną, co pozwala im na manipulowanie nimi, takimi jak otwieranie pokrywek słoików, nawet gdy znajdują się w pojemniku. Ta wysoko rozwinięta zdolność motoryczna chwytu chwytnego jest unikalna dla klasy głowonogów (ośmiornic, mątwy i kałamarnicy)43.
Rzeczywiście, przez setki milionów lat ewolucji, ośmiornica rozwinęła niezwykły i wyrafinowany genom oraz system fizjologiczny43,44, który zainspirował nowy rozwój i postęp w dziedzinach nauki i inżynierii. Na przykład wodoodporna łatka samoprzylepna oparta na budowie anatomicznej przyssawek ośmiornicy może przyklejać się do mokrych i suchych powierzchni45; Syntetyczny materiał maskujący inspirowany skórą kamuflażową ośmiornicy może przekształcić płaską powierzchnię 2D w trójwymiarową z nierównościami i wgłębieniami46. Miniaturowe miękkie i autonomiczne roboty (np. Octoboty), które w przyszłości mogą służyć jako narzędzia chirurgiczne wewnątrz ciała47; oraz ramię (tj. OctoArm) przymocowane do robota podobnego do czołgu48. Wiele gatunków ośmiornic jest wykorzystywanych w badaniach biomedycznych, np. Octopus vulgaris, Octopus sinensis, Octopus variabilis i Octopus bimaculoides (O. bimaculoides); najczęściej spotykane są O. vulgaris i O. bimaculoides34,49,50. Niedawne sekwencjonowanie różnych genomów ośmiornic sprawia, że rodzaj ten jest szczególnie interesujący i otwiera nowe granice w badaniach nad ośmiornicami34,43,51,52.
O. bimaculoides użyte w naszym zestawieniu to średniej wielkości gatunek ośmiornicy, po raz pierwszy odkryty w 1949 roku, który można znaleźć w płytkich wodach u wybrzeży północno-wschodniego Pacyfiku od środkowej Kalifornii do południa półwyspu Baja California17. Można go rozpoznać po fałszywych plamkach ocznych na płaszczu poniżej oczu. W porównaniu z ośmiornicą olbrzymią pacyficzną (Enteroctopus dofleini) i ośmiornicą zwyczajną (O. vulgaris), ośmiornica kalifornijska dwuplamkowa (O. bimaculoides) jest stosunkowo niewielka, początkowo mniejsza niż kilka centymetrów, rośnie szybko jako młodociana. Dorosły osobnik hodowany w laboratorium może urosnąć do średniej wielkości 100 cm i ważyć do 800 g53,54. Ośmiornice mają szybki okres wzrostu w ciągu pierwszych 200 dni; Do tego czasu są uważane za dorosłe i rosną przez resztę swojego życia55,56,57. Ośmiornice mogą być kanibalami, zwłaszcza gdy obie płcie są trzymane razem w zbiorniku; W związku z tym muszą być one przechowywane pojedynczo w oddzielnych zbiornikach58.