Biyomedikal araştırma ve biyomedikal mühendisliğindeki yeni kavramlar genellikle biyolojik türlerin çevresel ve fizyolojik koşulları ve zorlukları ele almak için sahip oldukları belirli stratejileri belirlemekle ilham almaktadır. Örneğin, ateşböceklerindeki floresan özelliklerini anlamak, diğer model organizmalarda hücresel aktiviteyi rapor edebilecek yeni floresan sensörlerin geliştirilmesine yol açmıştır1; alglerde ışıkla aktive edilen iyon kanallarının tanımlanması hücresel ve zamansal spesifik ışık bazlı-nöromodülasyonun gelişmesine yol açmıştır2,3,4,5; Dünya'nın manyetik alanına göre gezinen cam yayın balığındaki proteinlerin keşfedilmesi manyetik tabanlı nöromodülasyonun gelişmesine yol açmıştır6,7,8,9,10,11; Aplysia'daki sifon refleksini anlamak, davranışın hücresel temelini anlamada etkili olmuştur12,13,14.
Araştırmacılar, geleneksel olmayan laboratuvar türlerinin sahip olduğu fizyolojik işlevler üzerindeki benzersiz güçlü yönlerden ve yeni bakış açılarından yararlanarak mevcut biyomühendislik ve filogenetik araç kutusunu genişletmeye devam ediyor. Federal kurumlar, çeşitli türler üzerinde gerçekleştirilen yeni çalışmaları finanse ederek bu çalışma çizgilerini desteklemeye başlıyorlar.
Eşsiz anatomi ve yenilenme yeteneklerine sahip bir hayvan cinsinin yanı sıra her bir kolunun adaptif kontrolü, büyüleyici biyologlar ve mühendisler ve toplumun her kesiminden büyüleyici kitleler Ahtapot17'dir. Nitekim, ahtapotun fizyolojisi ve davranışının birçok yönü son on yıllarda incelenmiştir15,16,17,18,19,20,21,22,23,24,25,26 . Bununla birlikte, moleküler ve evrimsel biyoloji, robotik, hareket kaydı, görüntüleme, makine öğrenimi ve elektrofizyolojideki son gelişmeler ahtapot fizyolojisi ve davranışı ile ilgili keşifleri hızlandırır ve bunları yenilikçi biyomühendislik stratejilerine çevirir27,28,29,30,31,32,33,34,35 ,36,37,38,39.
Burada, farklı geçmişlerden, bilimsel ilgi alanlarından ve hedeflerden bilim adamları ve mühendisler için ilgi ve alaka düzeyi olacak ahtapot hayvancılığının nasıl kurulacağını ve sürdürüleceğini açıklıyoruz. Bununla birlikte, sonuçlarımız ahtapotların nörobilim ve nöromühendislik araştırmalarında uygulanmasına odaklanmaktadır. Ahtapot, merkezi beyinde 45 milyon nöron, optik loblarda 180 milyon nöron ve sekiz eksenel kordon ve periferik gangliyonda ek 350 milyon nöron ile oldukça gelişmiş bir sinir sistemine sahiptir; karşılaştırıldığında, bir köpek benzer sayıda nörona ve bir kediye sadece yarısına sahiptir40. Omurgalı sinir sisteminin aksine, ahtapotun beynindeki milyonlarca nöronun kolunun eksenel kordonlarındaki milyonlarca nörona bağlayan sadece 32K efferent ve 140K afferent lifleri vardır40,41,42. Bu nispeten az sayıda birbirine bağlı lif, ahtapotların sahip olduğu benzersiz dağıtılmış nöronal kontrolü vurgulayarak, motor programlarının yürütülmesine ilişkin ayrıntıların çoğunun eksenel kordonun kendisinde gerçekleştirildiğini göstermektedir. Ahtapotun kolları, kabın içinde olsalar bile kavanoz kapaklarını açma gibi manipülasyon becerilerini sağlayan olağanüstü ince motor kontrolüne sahiptir. Bu son derece gelişmiş prehensile motor yeteneği Cephalopods sınıfına özgüdür (ahtapot, mürekkep balığı ve kalamar)43.
Gerçekten de, yüz milyonlarca yıllık evrim boyunca ahtapot, bilimsel ve mühendislik alanlarında yeni gelişim ve ilerlemeye ilham veren olağanüstü ve sofistike bir genom ve fizyolojik sistem43.44 geliştirmiştir. Örneğin, ahtapotun emicilerinin anatomik yapısına dayanan suya dayanıklı bir yapışkan yama ıslak ve kuru yüzeylere yapışabilir45; ahtapotun kamuflaj derisinden esinlenen sentetik bir kamuflaj malzemesi, düz, 2D bir yüzeyi tümsekler ve çukurlarla üç boyutlu bir yüzeye dönüştürebilir46. Gelecekte vücudun içinde cerrahi aletler olarak hizmet verebilecek minyatür yumuşak ve otonom robotlar (yani Octobots); ve tank benzeri bir robot48'e bağlı bir kol (yani OctoArm) da geliştirilmiştir. Biyomedikal araştırmalarda ahtapotların birçok türü kullanılır, örneğin Ahtapot vulgaris, Ahtapot sinensis, Ahtapot variabilis ve Ahtapot bimaküloidleri (O. bimaküloidler); O. vulgaris ve O. bimaculoides en yaygın 34,49,50'dir. Farklı ahtapot genomlarının son dizilimi bu cinsi özel olarak ilgi çekici kılmaktadır ve ahtapot araştırmalarında yeni sınırlar açmaktadır34,43,51,52.
Kurulumumuzda kullanılan bimaküloidler, ilk olarak 1949'da keşfedilen ve Orta Kaliforniya'dan Baja California yarımadasının güneyine kadar Kuzeydoğu Pasifik kıyılarındaki sığ sularda bulunabilen orta büyüklükte bir ahtapot türüdür17. Gözlerinin altındaki mantındaki sahte göz lekeleri tarafından tanınabilir. Dev Pasifik Ahtapotu (Enteroctopus dofleini) ve Common Octopus (O. vulgaris) ile karşılaştırıldığında, Kaliforniya İki Noktalı Ahtapot (O. bimaküloidler) nispeten küçüktür, birkaç santimetreden daha küçük başlar ve bir çocuk olarak hızlı büyür. Bir laboratuvarda yükseltildiğinde, yetişkin mantle boyutu ortalama 100 cm'ye kadar büyüyebilir ve 800 g53,54 ağırlığa kadar çıkabilir. Ahtapotlar ilk 200 gün içinde hızlı bir büyüme dönemine sahiptir; O zamana kadar yetişkin olarak kabul edilirler ve hayatlarının geri kalanında büyümeye devam ederler55,56,57. Ahtapotlar yamyam olabilir, özellikle her iki cinsiyet de bir tank içinde bir araya geldiğinde; bu nedenle, ayrı tanklarda ayrı ayrı barındırılmaları gerekir58.