Команде ученых из Германии, Японии и других стран удалось впервые получить записи электроэнцефалограммы мозга живых неанестезированных осьминогов. В дальнейшем метод можно будет использовать, чтобы изучить функции разных частей мозга осьминогов, пока те будут выполнять те или иные задачи. Работа опубликована в Current Biology.
Осьминоги считаются одними из самых интеллектуальных беспозвоночных; их нервная система высоко организована и содержит более 500 миллионов нейронов — больше, чем у многих грызунов и птиц, а мозг разделен на доли, отвечающие за различные функции. Однако записать электрическую активность мозга осьминогов in vivo сложно — своими щупальцами они отрывают с себя все датчики, закрепленные на любой части тела.
Тамар Гутник (Tamar Gutnick) из Окинавского института науки и технологий с коллегами из других стран нашли способ записать ЭЭГ мозга живого бодрствующего осьминога, который при этом мог свободно передвигаться. Они адаптировали регистратор данных, разработанный для записи ЭЭГ во время крупномасштабного исследования навигации свободно летающих птиц. В нем четыре входных и два опорных канала для электрических сигналов, три — для акселерометрии, и инфракрасный канал приемника.
Поскольку закрепить электроды к голове осьминога снаружи невозможно, исследователи решили их имплантировать в дорсальную полость мантии и закрепить под кожей все провода, которые соединяют электроды с регистратором. Полости мантии донных осьминогов выглядят как удлиненные изолированные карманы и не соединены с брюшной полостью, которая содержит внутренние органы. Для эксперимента ученые выбрали крупный вид осьминога — Octopus cyanea. Взрослый осьминог весит от 1,5 до 4 килограммов, а длина его мантии — 20–35 сантиметров. Сами регистраторы ученые поместили в водонепроницаемые корпуса, чтобы их можно было использовать в воде, причем сконструировали корпуса таким образом, чтобы вся конструкция была небольшой — 20×60 миллиметров, и не пришлось делать слишком большой надрез в мышцах животных.
Перед имплантацией трех осьминогов поместили в обезболивающий раствор 2% этанола в природной морской воде. Чтобы имплантировать регистратор, каждому животному сделали разрез кожи и мышечного слоя над капсулой головного мозга, между глазами, длиной от двух до трех сантиметров: ткани очень эластичные, и такого разреза хватило. Затем еще один разрез сделали в спинной мантии и поместили туда регистратор, так, чтобы провода торчали наружу. В капсуле мозга был сделан третий разрез, входные электроды вставили в мозг, а опорные — поместили на поверхность мозга. Разрезы закрыли цианоакрилатным клеем. После этого осьминогов вернули в домашний аквариум для восстановления.
Чтобы оценить размеры долей мозга, ученые отсканировали мозг взрослого осьминога весом 2,5 кг и создали трехмерную реконструкцию изображений с томографа. Авторы нацелились на комплекс средней верхней лобной доли и вертикальной доли мозга (MSF-VL) — туда легче всего имплантировать электроды. Эти доли участвуют в консолидации памяти и принятии решений, и там происходит нейрогенез у взрослых осьминогов. Части лобных долей, расположенные перед местом записи, связаны с тактильным и химико-тактильным обучением. Там же находится потенциальный контур вознаграждения, который получает сенсорные сигналы от щупалец и рта, а выходные волокна обеспечивают обратную связь с органами чувств или вплоть до системы VL. А базальные доли в большей части вентральной части надпищеводного мозга отвечают за контроль сложных двигательных действий. Ученые ожидали, что активность в этих областях будет выше, особенно во время передвижения, однако запись ЭЭГ это не подтвердила.
Все 12 часов записи ЭЭГ животных снимали на камеру, чтобы потом посмотреть, как связано поведение с электрической активностью мозга. Все три осьминога быстро отошли от анестезии — в течение 5 минут после возвращения в домашний резервуар. Затем они стали ощупывать место разреза щупальцами, но никто не пытался достать электроды или регистратор. Во время наблюдения животные перемещались по аквариуму, занимались грумингом или спали.
Чтобы оценить и проанализировать данные, ученые отобразили поведенческие наблюдения с камеры и сигналы движения и мозговые сигналы с регистратора на одной оси времени — так, чтобы все совпало. Выяснилось, что в сигналах с регистратора практически не было артефактов и постороннего шума.
В электрических сигналах мозга животных преобладали низкие частоты — до 1 герца. Корреляции между сигналами с разных электродов у всех животных были разными: исследователям не удалось обнаружить какие-то закономерности, а также связь этих корреляций с движением осьминогов. Они обнаружили несколько закономерностей в мозговой активности, которые проявлялись у всех исследованных животных. Например, колебания высокой мощности с частотой 1,5–3 герц по крайней мере в трех из четырех электродов; эти колебания, однако, не были связаны с поведением, но чаще отмечались в определенные периоды времени.
В конце исследования осьминогов умертвили с помощью раствора 4% этанола в морской воде. Регистратор вытащили, а мозг затем обработали для сканирования микроКТ.
Исследователи предполагают, что их метод может помочь изучить функцию схемы MSF-VL и ее роль в визуальной памяти, если применять его в сочетании с целенаправленным повторяющимся поведением животных — например, во время визуального обучения. Также регистрацию электрической активности мозга потенциально можно применять на других видах осьминогов и на других регионах мозга.
В 2021 году ученые описали новый вид осьминогов с помощью МРТ и КТ. Особь выловили Тихом океане, и, к сожалению, осьминог не выжил. Однако ученым удалось описать его без вскрытия — неинвазивные методы для описания таких крупных животных применили впервые.
