为什么章鱼的每只腕足都有自己的想法

章鱼有许多令人惊叹的特点——它们非常聪明，有三颗心脏，眼球像棱镜一样运作，可以随意改变颜色，可以用皮肤“看到”光线。然而，这些生物最引人注目的一点是，它们的八条手臂似乎都有自己的想法，这让章鱼能够以人类梦寐以求的方式同时处理多项任务。

每条触手的核心都是一种称为轴神经索 (ANC) 的结构，1 月 15 日发表在《自然通讯》上的一项新研究探讨了这种神经索的结构如何对触手的行动起到至关重要的作用。该论文的第一作者 Cassady Olson 向《大众科学》杂志解释说，了解 ANC 对于了解章鱼触手的运作至关重要：“你可以将 ANC 视为相当于一条贯穿每条触手中心的脊髓。”

Olson 解释说，“ANC 和脊椎动物的脊髓之间有很多相似之处——都有一个细胞体区域、一个神经纤维区域，以及连接手臂和大脑的长束。” 这意味着章鱼的手臂与人类或其他脊椎动物的四肢非常不同；如果说有什么不同的话，Olson 说，它们最类似于某些脊椎动物的卷尾：“从运动的角度来看，我经常想到脊椎动物尾巴和章鱼手臂之间的相似之处。”

然而，与尾巴不同，章鱼的手臂没有骨头。从技术上讲，它们是一种称为“肌肉静水器”的结构，仅由肌肉、结缔组织和神经组织组成。（奥尔森指出，这种结构的另一个例子是人类的舌头。）这为它们提供了比尾巴更大的活动自由，并使章鱼能够展示出非凡的灵活性。当然，每条手臂上都布满了吸盘，章鱼可以独立控制所有吸盘——甚至可以根据需要改变单个吸盘的形状——而且所有吸盘除了感觉之外，还能嗅觉、味觉。

因此，章鱼的触手上布满了神经元也就不足为奇了——事实上，正如论文指出的那样，“章鱼八条触手上的神经元比大脑中的神经元还多”。这为每条触手提供了一定程度的自主性，使章鱼能够使用一些触手执行一项任务，同时用其他触手执行另一项完全不同的活动。例如，我们经常看到一只章鱼用几条触手在海底移动，同时用另外两条触手敲开贝壳。每条触手还可以独立对刺激做出反应，而无需中枢大脑的参与。（关于后一个事实有一个相当可怕的证明：“被截断的章鱼触手，”奥尔森说，“仍会自行移动，无需大脑的指令。”）

奥尔森说，每只手臂所表现出的自主性程度“表明……大部分基本动作的回路都包含在 ANC 本身中。”然而，这些回路的具体分布情况尚不清楚，这项新研究的关键发现是 ANC 分为沿手臂纵向延伸的几个部分。

奥尔森说，正是这种模块化结构使得控制手臂运动的部分工作可以委托给这些节段中的神经元，而不是由章鱼的大脑控制一切。“我们在 ANC 细胞体层中看到的分割可以被认为是沿着 ANC 重复的处理单元，”她说。“这为手臂运动控制提供了局部处理的好处，细分为更小的单元，而不是通过一束神经纤维从大脑发出的中央命令。”

虽然这种分段结构并非章鱼所独有（例如，蠕虫就具有完全分段的身体），但奥尔森表示，章鱼触手与蠕虫等生物之间的一个主要区别在于“我们所描述的头足类触手的分段主要与神经系统有关。”

章鱼手臂的内部工作原理似乎与人类日常生活相去甚远，但这项研究却有着令人惊讶的现实用途。“软机器人”领域涉及用柔软、柔韧的物质而不是大众想象中的镀铬抛光钢来制造机器人，该领域从章鱼中汲取了大量灵感。该领域的设计师经常使用分段设计来设计类似章鱼手臂的结构，而奥尔森表示，在自然界中找到这种设计的例子有可能改进和改进此类机器人：“我们的研究为章鱼 ANC 如何控制手臂和吸盘提供了一个电路框架，可用于试图模仿章鱼手臂的软机器人设计。”

她特别引用了团队发现的所谓“吸盘定位”的证据，吸盘定位是 ANC 中根据单个吸盘上的神经位置创建的吸盘位置空间图。她说，这种神经连接“让人想起环形吸引子结构”，这是一种充当陀螺仪的神经结构，可以让动物（或机器人）在空间中定位自己。这些已经被用来创建手臂和吸盘的生物物理模型，而现实生活中的例子可以提供改进这些设计的新方法。

奥尔森说，还有更多这样的见解有待发现，因为我们对章鱼的生物学还有很多不了解的地方——正是因为头足类动物的身体和神经系统与我们自己的如此不同，它们才有可能提供意想不到的见解。奥尔森说，这就是研究这些动物既具有挑战性又令人着迷的原因。“研究头足类动物的神经系统是令人兴奋的。章鱼在数百万年前就与脊椎动物分道扬镳了，它们的体型非常不同，所以对于神经系统的结构和功能，探究哪些仍然相似，哪些不同是很有趣的。”