Novos conceitos em pesquisa biomédica e engenharia biomédica são frequentemente inspirados na identificação de estratégias específicas que as espécies biológicas possuem para enfrentar as condições e desafios ambientais e fisiológicos. Por exemplo, a compreensão das propriedades de fluorescência em vagalumes levou ao desenvolvimento de novos sensores fluorescentes que podem relatar a atividade celular em outros organismos modelo1; identificar canais de íons ativados pela luz em algas levou ao desenvolvimento de neuromodulação de luz específica celular e temporal2,3,4,5; a descoberta de proteínas em bagres de vidro que navegam de acordo com o campo magnético da Terra levou ao desenvolvimento de neuromodulação de base magnética6,7,8,9,10,11; compreender o reflexo do sifão na Aplísia tem sido fundamental para a compreensão da base celular do comportamento12,13,14.
Os pesquisadores continuam a expandir-se sobre a atual bioengenharia e caixa de ferramentas filogenéticas, aproveitando os pontos fortes e novas perspectivas únicas sobre funções fisiológicas que espécies de laboratório não convencionais possuem. Os órgãos federais estão começando a apoiar essas linhas de estudos financiando novos trabalhos realizados em diversas espécies.
Um gênero de animais com capacidade única de anatomia e regeneração, bem como o controle adaptativo de cada um de seus braços, biólogos e engenheiros fascinantes, e audiências cativantes de todas as partes da sociedade são os Polvos17. De fato, muitos aspectos da fisiologia e comportamento do polvo foram estudados ao longo das últimas décadas15,16,17,18,19,20,21,22,23,24,25,26 . No entanto, desenvolvimentos recentes em biologia molecular e evolutiva, robótica, gravação de movimento, imagem, aprendizado de máquina e eletrofisiologia aceleram descobertas relacionadas à fisiologia e comportamento do polvo e as traduzem em estratégias inovadoras de bioengenharia27,28,29,30,31,32,33,34,35 36,37,38,39.
Aqui descrevemos como criar e manter a criação de polvos, o que seria de interesse e relevância para cientistas e engenheiros de diferentes origens, interesses científicos e objetivos. No entanto, nossos resultados se concentram na aplicação de polvos em neurociência e pesquisa de neuroengenharia. O polvo tem um sistema nervoso altamente desenvolvido com 45 milhões de neurônios no cérebro central, 180 milhões de neurônios nos lobos ópticos e 350 milhões de neurônios adicionais nos oito cabos axiais e gânglios periféricos; em comparação, um cão tem um número semelhante de neurônios e um gato apenas metade dele40. Ao contrário do sistema nervoso vertebrado, há apenas fibras diferentes e 140K que conectam os milhões de neurônios no cérebro do polvo aos milhões de neurônios em cada um dos cabos axiais de seu braço40,41,42. Essas relativamente poucas fibras interconectadas sugerem que a maioria dos detalhes para a execução dos programas motores são realizados no próprio cabo axial, enfatizando o controle neuronal exclusivamente distribuído que os polvos possuem. Os braços do polvo têm um controle motor fino extraordinário, permitindo-lhes habilidades de manipulação, como abrir tampas de frascos, mesmo quando estão dentro do recipiente. Esta capacidade motora preênsil altamente desenvolvida é exclusiva da classe de Cefalópodes (polvo, cuttlefish e lula)43.
De fato, através de centenas de milhões de anos de evolução, o polvo desenvolveu um notável e sofisticado genoma e sistema fisiológico43,44 que inspirou novos desenvolvimentos e progressos em campos científicos e de engenharia. Por exemplo, um adesivo resistente à água baseado na estrutura anatômica dos do polvo pode grudar em superfícies molhadas e secas45; um material de camuflagem sintética inspirado na pele de camuflagem do polvo pode transformar uma superfície plana e 2D em uma tridimensional com solavancos e poços46. Robôs macios e autônomos em miniatura (ou seja, Octobots) que no futuro poderiam servir como ferramentas cirúrgicas dentro do corpo47; e um braço (ou seja, OctoArm) ligado a um robô semelhante a um tanque48 também foram desenvolvidos. Muitas espécies de polvos são usadas em pesquisas biomédicas, por exemplo, Polvo vulgaris, Polvo sinensis, Polvo variabilis e polvo bimaculoides (O. bimaculoides); o O. vulgaris e O. bimaculoides sendo os mais comuns34,49,50. O sequenciamento recente de diferentes genomas de polvo torna esse gênero de particular interesse e abre novas fronteiras na pesquisa de polvo34,43,51,52.
O. bimaculoides usados em nossa configuração é uma espécie de polvo de tamanho médio, descoberta pela primeira vez em 1949, que pode ser encontrada em águas rasas ao largo da costa nordeste do Pacífico, do centro da Califórnia ao sul da península da Baja Califórnia17. Pode ser reconhecido pelos falsos olhos em seu manto abaixo de seus olhos. Comparado ao Polvo Do Pacífico Gigante (Enteroctopus dofleini) e ao Polvo Comum (O. vulgaris), o Polvo de Dois Pontos da Califórnia (O. bimaculoides) é relativamente pequeno em tamanho, começando menor que alguns centímetros, crescendo rapidamente como um jovem. Quando criado dentro de um laboratório, o tamanho do manto adulto pode crescer para um tamanho médio de 100 cm e pesar até 800 g53,54. Os polvos têm um rápido período de crescimento nos primeiros 200 dias; até lá, eles são considerados adultos e continuam a crescer ao longo do resto de suas vidas55,56,57. Polvos podem ser canibais, especialmente quando ambos os sexos estão alojados juntos dentro de um tanque; portanto, eles precisam ser alojados individualmente em tanques separados58.