乌贼如何在大脑之外思考

矮乌贼.

来源:Adam Dewan，来自 Flickr.在 CC BY-NC-SA 2.0 许可下分发.

墨鱼，就像它们的头足类动物鱿鱼和章鱼一样，以其智能和复杂的行为而闻名.科学家已经证明，墨鱼可以数数、解迷宫，并记住它们最后一次进食的内容、地点和时间(这种现象被称为情景记忆，曾被认为是人类独有的).最近的一项研究甚至发现墨鱼可以通过“棉花糖测试"，如果他们知道如果他们等待的话，以后会得到特别美味的食物，那么他们会更早吃更少的食物.

支持这些复杂的行为是一个令人印象深刻的大脑；墨鱼是所有无脊椎动物中脑与体型比例最大的动物之一.但他们令人印象深刻的神经系统并不止于此.超过 60% 到 70% 的头足类神经元位于大脑外，其中许多位于八臂内.

“头足类动物的许多智力都通过它们手臂的灵巧性得到了证明，"佐治亚南方大学的生物学家 Vinoth Sittaramane 说. “这让我们开始思考:如果他们能够用手臂解决问题，并且他们的手臂上有这么多神经元，那么他们能够独立于大脑执行这些思考和记忆任务中的一些才有意义.大脑."

双臂姿势的矮乌贼.

来源:Bill Abbott，来自维基共享资源.在 CC BY-SA 2.0 许可下分发.

在一项新研究中，Sittaramane 与他的学生 Jessica Bowers、Jack Wilson 和 Tahirah Nimi 使用一种称为磷酸化 CREB ​​(pCREB) 的神经活动标记来研究独特的头足类神经系统的记忆机制. pCREB ​​已被证明可以促进许多脊椎动物和无脊椎动物神经元的学习和记忆形成. Sittaramame 及其同事在接受学习和记忆任务训练后决定在墨鱼臂感觉神经元中寻找 pCREB.

手足无措

对于这项新研究，Sittaramane 及其同事开发了一种新的自动化、高通量系统，用于测试和跟踪头足类动物的学习.他们使用了小乌贼，它们虽小但仍能做出复杂的行为.

第一步是在所谓的“难以接近的猎物"实验中训练墨鱼.墨鱼被展示在透明管中的小虾.起初，墨鱼迅速用触手撞击管子来捕捉猎物，但随着墨鱼了解到无法接近猎物，这些触手会随着时间的推移而减少.

研究人员评估了两个时间尺度的记忆:短期记忆，持续几分钟到几小时，长期记忆，持续数天或更长时间.

墨鱼在连续五次训练中减少触手撞击，显示出短期记忆的行为证据.为了测试长期记忆，研究人员在初始训练四天后再次测试了墨鱼.与幼稚、未受过训练的墨鱼相比，受过训练的墨鱼对管子的攻击减少，表明它们记得以前的经历.

矮乌贼.

来源:Elanna，来自 Flickr.在 CC BY-NC-SA 2.0 许可下分发.

在难以接近的猎物实验中，Sittaramane 注意到在每次触手撞击结束时，手臂的口腔感觉表面会反复抓住管子.为了评估手臂的学习情况，研究人员使用抗 pCREB ​​作为标记手臂神经活动的标记.他们发现，受过训练的墨鱼手臂口腔表面的 pCREB ​​阳性神经元数量显着增加，尤其是在吸盘和周围组织褶皱中.

接下来，研究人员检查了墨鱼臂不同部位 pCREB ​​表达的差异.在训练有素的墨鱼中，他们发现与靠近身体的末端相比，手臂末端的神经活动更多，与手臂对 3 和 4 相比，手臂对 1 和 2 的神经活动更多.这些是手臂对和手臂的一部分墨鱼在学习过程中习惯接触管表面.

“这表明手臂可能在某些学习和记忆过程中发挥作用，"Sittaramane 说.

未来的问题

从进化的角度来看，Sittaramane 说他可以看到在周围神经系统中具有局部记忆的优势.

“这可能有助于生物体发展出更好的生存能力，"他说. “头足类动物在许多行为中经常使用手臂，它们能够感知环境中的化学线索.只有拥有本地化的记忆才有意义."

这个实验是 Sittaramane 的一个起点，他说我们在理解大脑外学习和记忆所涉及的细节和机制方面还有很长的路要走.他希望未来的实验能够表征所涉及的神经元类型和起作用的神经回路. Sittaramane 和他的同事还在某些大脑区域进行了一些初步染色，以研究手臂如何与大脑进行交流.他说，虽然他们没有检测到大脑中 pCREB ​​水平的任何增加，但手臂神经元和大脑神经元之间的联系问题仍然悬而未决.

最后，Sittaramane 对这些知识在人类生物医学中的潜在应用感到兴奋.例如，头足类动物，包括墨鱼，可以再生失去的手臂.这对手臂内的局部记忆过程意味着什么?它们也可以再生吗?

“由于它们可以再生手臂，这就提出了这些神经元如何再生的问题，"他说. “头足类动物可以教我们很多关于再生具有完整功能能力的神经元的知识.这是再生医学的一个重要问题."