研究發現：章魚觸臂的神經系統呈分段式

章魚面臨著極其複雜的運動控制挑戰。它的八隻觸臂，每一根都是肌肉水壓體，這是一種柔軟的身體結構，沒有堅硬的骨骼，活動自由度近乎無限。更何況，觸臂上佈滿了數以百計能獨立改變形狀的吸盤。即便構造如此複雜，章魚仍能有效控制單一觸臂的各部位、協調八隻觸臂，甚至精準操控吸盤。芝加哥大學的科學家在一項新研究中發現，章魚控制觸臂運動的神經系統迴路是分段式的，正是這一特性，讓這些神奇的生物能精準操控觸臂和吸盤，探索環境、抓取物體以及捕捉獵物。

南加州大學箭牌海洋科學中心位於卡特琳娜島上的一隻章魚。圖片來源：南加州大學

芝加哥大學的克里夫頓·拉格斯代爾教授表示：「若要打造一個能控制如此靈活運動的神經系統，這種分段式的構造不失為一個好方法。」

「我們認為，這種特性是帶有吸盤的軟體頭足類動物為了實現類似蠕蟲般的運動而進化出的。」

每隻章魚觸臂都配有龐大的神經系統，八隻觸臂所含的神經元總數比章魚大腦中的還要多。

這些神經元集中在一條粗大的軸向神經索（ANC）中，該神經索沿著觸臂蜿蜒前行，每繞過一個吸盤，就會在其上方形成一個膨大結構。

研究作者們打算分析加州雙斑章魚（Octopus bimaculoides）觸臂中軸向神經索的結構，以及它與肌肉組織的連線方式。加州雙斑章魚是一種小型章魚，原產於加利福尼亞海岸外的太平洋海域。

起初，他們試圖在顯微鏡下觀察章魚觸臂的薄圓形橫截面，但樣本老是從載玻片上滑落。

於是，他們改用觸臂的縱向條狀樣本，結果取得了更好的效果，並由此有了意外發現。

藉由細胞標記物和成像工具追蹤軸向神經索的結構和連線，他們發現神經元細胞體聚集形成一列列的分段，就像波紋管一樣。

這些分段之間由稱為隔膜的間隙分隔開，神經和血管從隔膜處延伸至附近的肌肉。

多個分段的神經與肌肉的不同區域相連，這表明各個分段相互配合以控制運動。

芝加哥大學的研究生卡薩迪·奧爾森稱：「從建模的角度思考，為這麼長且靈活的觸臂設計控制系統的最佳方式，就是將其劃分為多個分段。」

「各分段之間必然存在某種通訊方式，不難想象，這有助於使運動更流暢。」

吸盤的神經也透過這些隔膜從軸向神經索延伸而出，有規律地連線到每個吸盤的外緣。

這意味著神經系統為每個吸盤建立了一個空間或拓撲地圖。

章魚能獨立控制吸盤的運動和形狀變化。

吸盤上還佈滿了感覺受體，使章魚能透過觸控品嚐和嗅聞物體——就如同將手、舌頭和鼻子的功能集於一身。

研究人員認為，他們所稱的「吸盤拓撲圖」促成了章魚這種複雜的感覺—運動能力。

為了探究這種結構在其他軟體頭足類動物中是否普遍存在，研究人員還對長鰭近海烏賊（Doryteuthis pealeii）進行了研究，這種烏賊在大西洋很常見。

這些烏賊和章魚一樣，有八隻帶肌肉和吸盤的觸臂，此外還有兩條觸手。

觸手有很長一段柄部，上面沒有吸盤，末端的觸手棒上才有吸盤。

狩獵時，烏賊能伸出觸手，用帶吸盤的觸手棒抓住獵物。

科學家們用同樣的方法研究烏賊觸手的縱向條狀樣本，發現沒有吸盤的柄部的軸向神經索不分段，但末端的觸手棒和章魚一樣是分段的。

這表明，分段式的軸向神經索是專門為控制頭足類動物任何靈巧且帶吸盤的附肢而形成的。

然而，烏賊觸手棒上每個吸盤對應的分段數比章魚少，可能是因為它們不像章魚那樣利用吸盤感知外界。

烏賊在開闊海域狩獵時更依賴視覺，而章魚則在海底遊弋，將靈敏的觸臂作為探索工具。

儘管章魚和烏賊在超過2.7億年前就走上了不同的進化道路，但它們在控制帶吸盤附肢方面的共性——以及在無吸盤部位的差異——都體現了進化如何總能找到最佳方案。

拉格斯代爾教授表示：「擁有這些帶吸盤附肢且能做出類似蠕蟲般運動的生物，需要合適的神經系統。」

「不同的頭足類動物都進化出了分段式結構，但其具體細節會根據環境需求和數億年的進化壓力而有所不同。」

該研究發表在《自然通訊》期刊上。

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C.S. Olson等人，2025年。頭足類動物觸臂中的神經元分段。《自然通訊》16卷，443頁；doi: 10.1038/s41467-024-55475-5