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Method Article
Comprendre les structures physiologiques et anatomiques uniques des pieuvres peut avoir un impact considérable sur la recherche biomédicale. Ce guide montre comment mettre en place et maintenir un environnement marin pour accueillir cette espèce et comprend des approches d’imagerie et d’analyse de pointe pour visualiser l’anatomie et la fonction du système nerveux de la pieuvre.
De nombreux développements dans la recherche biomédicale ont été inspirés par la découverte de mécanismes anatomiques et cellulaires qui soutiennent des fonctions spécifiques chez différentes espèces. La pieuvre est l’un de ces animaux exceptionnels qui a donné aux scientifiques de nouvelles connaissances dans les domaines des neurosciences, de la robotique, de la médecine régénérative et des prothèses. La recherche sur cette espèce de céphalopodes nécessite la mise en place d’installations complexes et de soins intensifs pour la pieuvre et son écosystème, ce qui est essentiel à la réussite du projet. Ce système nécessite plusieurs systèmes de filtrage mécaniques et biologiques pour fournir un environnement sûr et propre à l’animal. En plus du système de contrôle, un entretien et un nettoyage de routine spécialisés sont nécessaires pour que l’installation continue de fonctionner efficacement à long terme. Il est conseillé de fournir un environnement enrichi à ces animaux intelligents en modifiant le paysage du réservoir, en incorporant une variété de proies et en leur présentant des tâches difficiles. Nos résultats comprennent une IRM et une imagerie d’autofluorescence du corps entier ainsi que des études comportementales pour mieux comprendre leur système nerveux. Les pieuvres possèdent une physiologie unique qui peut avoir un impact sur de nombreux domaines de la recherche biomédicale. Leur fournir un écosystème durable est la première étape cruciale pour découvrir leurs capacités distinctes.
Les nouveaux concepts de la recherche biomédicale et du génie biomédical sont souvent inspirés par l’identification de stratégies spécifiques que les espèces biologiques possèdent pour faire face aux conditions et aux défis environnementaux et physiologiques. Par exemple, la compréhension des propriétés de fluorescence chez les lucioles a conduit à la mise au point de nouveaux capteurs fluorescents capables de signaler l’activité cellulaire dans d’autres organismes modèles1; l’identification des canaux ioniques activés par la lumière dans les algues a conduit au développement d’une neuromodulation cellulaire et temporelle spécifique basée sur la lumière2,3,4,5; la découverte de protéines chez le poisson-chat en verre qui naviguent en fonction du champ magnétique terrestre a conduit au développement de la neuromodulation magnétique6,7,8,9,10,11; la compréhension du réflexe de siphon dans l’aplysie a joué un rôle déterminant dans la compréhension de la base cellulaire du comportement12,13,14.
Les chercheurs continuent de développer la boîte à outils actuelle de la bio-ingénierie et de la phylogénétique en tirant parti des forces uniques et des nouvelles perspectives sur les fonctions physiologiques des espèces de laboratoire non conventionnelles. Les organismes fédéraux commencent à soutenir ces lignes d’études en finançant de nouveaux travaux réalisés sur diverses espèces.
Un genre d’animaux avec une anatomie et des capacités de régénération uniques ainsi que le contrôle adaptatif de chacun de ses bras, des biologistes et des ingénieurs fascinants, et captivant des publics de toutes les parties de la société est le Octopus17. En effet, de nombreux aspects de la physiologie et du comportement de la pieuvre ont été étudiés au cours des dernières décennies15,16,17,18,19,20,21,22,23,24,25,26 . Cependant, les développements récents en biologie moléculaire et évolutive, en robotique, en enregistrement de mouvement, en imagerie, en apprentissage automatique et en électrophysiologie accélèrent les découvertes liées à la physiologie et au comportement des pieuvres et les traduisent en stratégies innovantes de bio-ingénierie27,28,29,30,31,32,33,34,35 ,36,37,38,39.
Nous décrivons ici comment mettre en place et maintenir l’élevage de poulpes, ce qui serait intéressant et pertinent pour les scientifiques et les ingénieurs de différents horizons, intérêts scientifiques et objectifs. Néanmoins, nos résultats se concentrent sur l’application des pieuvres dans la recherche en neurosciences et en neuro-ingénierie. La pieuvre a un système nerveux très développé avec 45 millions de neurones dans le cerveau central, 180 millions de neurones dans les lobes optiques et 350 millions de neurones supplémentaires dans les huit cordons axiaux et les ganglions périphériques; en comparaison, un chien a un nombre similaire de neurones et un chat seulement la moitié de celui-ci40. Contrairement au système nerveux des vertébrés, il n’y a que 32K fibres efférentes et 140K afférentes reliant les millions de neurones du cerveau de la pieuvre aux millions de neurones de chacun des cordons axiaux de leur bras40,41,42. Ces fibres interconnectées relativement peu nombreuses suggèrent que la plupart des détails pour l’exécution des programmes moteurs sont effectués dans le cordon axial lui-même, soulignant le contrôle neuronal distribué de manière unique que possèdent les pieuvres. Les bras de la pieuvre ont un contrôle de la motricité fine extraordinaire leur permettant des compétences de manipulation telles que l’ouverture des couvercles des bocaux, même lorsqu’ils sont à l’intérieur du récipient. Cette capacité motrice préhensile très développée est unique à la classe des céphalopodes (poulpe, seiche et calmar)43.
En effet, au cours de centaines de millions d’années d’évolution, la pieuvre a développé un génome et un système physiologique remarquables et sophistiqués43,44 qui ont inspiré de nouveaux développements et progrès dans les domaines scientifiques et techniques. Par exemple, un patch adhésif résistant à l’eau basé sur la structure anatomique des ventouses de la pieuvre peut coller aux surfaces humides et sèches45; un matériau de camouflage synthétique inspiré de la peau de camouflage de la pieuvre peut transformer une surface plane en 2D en une surface tridimensionnelle avec des bosses et des fosses46. Des robots miniatures souples et autonomes (c.-à-d. des Octobots) qui, à l’avenir, pourraient servir d’outils chirurgicaux à l’intérieur du corps47; et un bras (c’est-à-dire OctoArm) attaché à un robot de type char48 ont également été développés. De nombreuses espèces de pieuvres sont utilisées dans la recherche biomédicale, par exemple Octopus vulgaris, Octopus sinensis, Octopus variabilis et Octopus bimaculoides (O. bimaculoides); O. vulgaris et O. bimaculoides étant les plus communs34,49,50. Le séquençage récent de différents génomes de poulpe rend ce genre particulièrement intéressant et ouvre de nouvelles frontières dans la recherche sur les poulpes34,43,51,52.
O. bimaculoides utilisé dans notre installation est une espèce de poulpe de taille moyenne, découverte pour la première fois en 1949, que l’on peut trouver dans les eaux peu profondes au large de la côte nord-est du Pacifique, du centre de la Californie au sud de la péninsule de Basse-Californie17. Il peut être reconnu par les fausses taches oculaires sur son manteau sous ses yeux. Comparée à la pieuvre géante du Pacifique (Enteroctopus dofleini) et à la pieuvre commune (O. vulgaris), la pieuvre à deux points de Californie (O. bimaculoides) est relativement petite, commençant par quelques centimètres et se développant rapidement en tant que juvénile. Lorsqu’il est élevé dans un laboratoire, la taille du manteau adulte peut atteindre une taille moyenne de 100 cm et peser jusqu’à 800 g53,54. Les pieuvres ont une période de croissance rapide dans leurs 200 premiers jours; à ce moment-là, ils sont considérés comme des adultes et continuent de grandir tout au long de leur vie55,56,57. Les pieuvres peuvent être cannibales, surtout lorsque les deux sexes sont logés ensemble dans un réservoir; par conséquent, ils doivent être logés individuellement dans des réservoirs séparés58.
Toutes les études sur les animaux ont été approuvées par l’Institutional Animal Care and Use Committee (IACUC) de la Michigan State University.
1. Installation de l’équipement du réservoir Octopus
Figure 1 : Configuration du réservoir Octopus. Entrée et sortie d’eau (a). Trois réservoirs de poulpe d’une superficie de 1,22 m x 0,3 m (b) chacun. Veuillez cliquer ici pour voir une version agrandie de cette figure.
Figure 2 : Système de puisard. Vue latérale du système de puisard (a). Vue de dessus du système de puisard (b). Veuillez cliquer ici pour voir une version agrandie de cette figure.
Figure 3 : Aquarium avec système de filtrage du puisard sous le réservoir et les unités de contrôle de l’environnement. Les flèches vertes indiquent la direction de l’écoulement de l’eau dans le système. L’eau s’écoule de la section un à la section deux pour le refroidissement et sur la troisième pour séparer la matière biologique lourde de la matière plus légère. Les déchets lourds flottent vers le bas et vers la section cinq, tandis que la plus petite matière biologique s’écoule dans le filtre à chaussettes de la section quatre. L’eau s’écoule de quatre sous la section cinq entrant dans l’écumoire de protéines en six pour éliminer les déchets restants dans l’eau. Le bac à algues contient des micro-organismes pour décomposer les déchets, l’ammoniac et les nitrates ainsi que pour oxygéner l’eau. Dans la dernière partie du système, plus d’eau est ajoutée pour tenir compte de l’évaporation avant d’être pompée dans le réservoir. Veuillez cliquer ici pour voir une version agrandie de cette figure.
2. Réservoirs de stockage
3. Configuration du réservoir de nourriture
4. Introduction de la pieuvre dans le réservoir
5. Soins quotidiens
6. Assainissement hebdomadaire
Figure 4 : Réservoir pour crabes violoneux (Minuca pugnax). Le fond du réservoir est à moitié désigné pour le lit sec et l’autre moitié pour 2 cm d’eau salée peu profonde. Veuillez cliquer ici pour voir une version agrandie de cette figure.
Figure 5 : Réservoir pour crevettes fantômes (Palaemonetes paludosus). Les roches dans le réservoir de crevettes fournissent des endroits pour que les crevettes se cachent et muent ainsi que pour la croissance de micro-organismes. Veuillez cliquer ici pour voir une version agrandie de cette figure.
7. Soins aux animaux malades
8. Anesthésie par poulpe
9. Euthanasie du poulpe
10. Comportement de O. bimaculoides
11. IRM du poulpe
NOTE : Auparavant, les réponses IRM fonctionnelles évoquées dans la rétine de la pieuvre étaient mesurées chez des animaux anesthésiés70. Ici, nous avons obtenu une IRM à ultra-haute résolution spatiale du système nerveux de la pieuvre qui a nécessité des heures de balayage. Ainsi, cela a été réalisé dans un O. bimaculoides euthanasié.
12. Imagerie par cryo-tomographie par fluorescence (CFT)
Tous les animaux de nos études ont été obtenus dans la nature, et donc leur âge exact n’a pas pu être déterminé et leur séjour en laboratoire était variable. L’état de poulpe a été observé quotidiennement. Nous n’avons pas vu de parasites, de bactéries, de lésions cutanées ou de comportements anormaux. Le poids moyen des animaux était de 170,38 +/- 77,25 g. Chaque animal habitait son propre réservoir de 40 gallons. L’écart-type moyen ± pour les paramètres enregistrés pour un réservoir sur u...
Configuration du système :
L’écosystème de l’aquarium a été développé de manière à ce que des méthodes mécaniques et biologiques de filtrage et d’oxygénation de l’eau soient utilisées. Les éléments filtrants du système utilisent des filtres à chaussettes, des écumeurs de protéines et un nettoyage régulier pour maintenir les niveaux d’azote et d’oxygène. Plus important encore, nous comptons également sur les micro-organismes marins pour consommer les composés azotés ...
Tous les auteurs ne déclarent aucun conflit d’intérêts.
Ce travail a été soutenu par NIH UF1NS115817 (G.P.). G.P. est partiellement soutenu par les subventions des NIH R01NS072171 et R01NS098231. Nous tenons à remercier Patrick Zakrzewki et Mohammed Farhoud d’Emit Imaging pour leur aide et leur soutien dans la collecte et la visualisation des données sur la plate-forme xerra Imaging. MSU a un accord de recherche avec Bruker Biospin.
Name | Company | Catalog Number | Comments |
1-3/4 in. Drill Bit | Home Depot | 204074205 | Glass cutting tool Part number:1 |
1" flow sensors | Neptune Systems | Local Dealer | Pipe with sensor to measure water flow Part number:2 |
1" Slip Bulkhead Strainer | Bulk Reef Supply | 207113 | Strainer for water leaving tank Part number:3 |
10 gallon tank | Pruss Pets | Local Dealer | Fiddler crab holding tank Part number:4 |
4 inch X 12 inch 200 Micron Nylon Monofiliment Mesh Filter Sock w/ Plastic Ring | AQUAMAXX | UJ41171 | Filter for large organic matter in sump Part number:5 |
40 gallon aquarium | Pruss Pets | Local Dealer | 4 Food aquarium tanks Part number:6 |
60g poly tanks - rectangle | Pruss Pets | Local Dealer | 2 Water Storage (salt and freshwater) Part number:7 |
Active Aqua 1/10th HP Hydroponic or Aquarium Chiller 2018 Model | WayWe | 719574198463 | For cooling water continuously Part number:8 |
ALAZCO 2 Soft-Grip Handle Heavy-Duty Tile Grout Brush | ALAZCO | B06W2FT5V5 | Tank Cleaning Part number:9 |
Ammonia Testing Kit | Aquarium Pharmaceuticals | 33D | For water testing Part number:10 |
Apex system WiFi | Neptune Systems | Local Dealer | System connection for off site monitoring Part number:11 |
API Aquarium Test Kit | Amazon | B001EUE808 | For water testing Part number:12 |
API Copper Test Kit | Amazon | B0006JDWH8 | For water testing Part number:13 |
Aqua Ultraviolet Classic UV 25 Watt Series Units | Aqua Ultraviolet | A00028 | For removing bacteria leaving sump system Part number:14 |
AquaClear 50 Foam Filter Inserts, 3 pack | Aquaclear | A1394 | Food Tank Carbon Filter Inserts Part number:15 |
Aqueon QuietFlow LED PRO Aquarium Power Filter 30 | Aqueon | 100106082 | Food tank filtering units Part number:16 |
Auto Top Off Kit (ATK) (Each includes 1 FMM module, 2 optical sensors and 1 float) | Neptune Systems | Local Dealer | For freshwater tank Part number:17 |
Automatic top off from RODI (LLC) | Neptune Systems | Local Dealer | From water storage to octopus tanks Part number:18 |
Banded Trochus Snail | LiveAquaria | CN-112080 | For algae bin Part number:19 |
Chaetomorpha Algae, Aquacultured | LiveAquaria | BVJ-76354 | For algae bin Part number:20 |
Clams - Live, Hard Shell, Cherrystone, Wild, USA Dozen | Fulton Fish Market | N/A | Live food Part number:21 |
Classic Sea Salt Mix - Tropic Marin | Bulk Reef Supply | 211813 | Salt for tank water Part number:22 |
Clear Masterkleer Soft PVC Plastic Tubing, for Air and Water, 3/4" ID, 1" OD | McMaster | 5233K71 | Cleaning tool Part number:23 |
Continuum Aquablade-P Acrylic Safe Algae Scraper W/ Plastic Blade - 15 Inch | Marine Depot | 4C31001 | Cleaning tool Part number:24 |
Copper Testing Kit | Aquarium Pharmaceuticals | 65L | For water testing Part number:25 |
Curve Refugium CREE LED Aquarium Light | Eshopps | 6500K | Algae bin light Part number:26 |
Eheim 1262 return pumps | EHEIM | 1250219 | Pump for storage tanks Part number:27 |
Eshopps R-100 Refugium Sump GEN 3 | Eshopps | 15000 | Sump system Part number:28 |
Ethyl Alcohol, 200 Proof | Sigma-Aldrich | 64-17-5 | Anesthesia Part number:29 |
Extech DO600 ExStik II Dissolved Oxygen Meter | Extech | DO600 | Oxygen measurment Part number:30 |
Fiddler Crabs; live; dozen | NORTHEAST BRINE SHRIMP | N/A | Live food Part number:31 |
Filter Cartrages | Aqueon | 100106087 | Food tank filters Part number:32 |
Florida Crushed Coral Dry Sand - CaribSea | Bulk Reef Supply | 212959 | Sedimate for bottom of tank Part number:33 |
FMM module | Neptune Systems | Local Dealer | Controller for apex system Part number:34 |
Fritz-Zyme TurboStart 900 - Fritz | Bulk Reef Supply | 213036 | Bacteria start Part number:35 |
Hand Operated Drum Pump, Siphon, Basic Pump with Spout, For Container Type Bucket, Pail | Granger | 38Y789 | Water Hand Pump Part number:36 |
High pH Testing Kit | Aquarium Pharmaceuticals | 27 | For water testing Part number:37 |
Imagitarium Fine Mesh Net for Shrimp | Petco | 2580993 | Shrimp and fish transfer net Part number:38 |
Leak Detection Kit (LDK) - Includes FMM module plus 2 ALD sensors | Neptune Systems | Local Dealer | Placed on floor to detect water Part number:39 |
Lee`S Algae Scrubber Pad Jumbo - Glass | Marine Depot | LE12007 | Cleaning tool Part number:40 |
Live rocks | Pruss Pets | Local Dealer | Habitat for octopus Part number:41 |
Long Bottle Cleaning Brush 17" Extra Long | Haomaomao | B07FS7J7PN | Tank Cleaning Part number:42 |
Magnesium chloride | Sigma-Aldrich | M1028-100ML | Euthanasia Part number:43 |
Magnetic Probe Rack | Neptune Systems | Local Dealer | For holding apex sensor probes Part number:44 |
Marine Ghost Shrimp | NORTHEAST BRINE SHRIMP | N/A | Live food Part number:45 |
Marineland C-Series Canister Carbon Bags Filter Media, 2 count | Chewy | 98331 | For elevated copper levels Part number:46 |
Nitra-Zorb Bag | Aquarium Pharmaceuticals | AP2213 | Absorbes nirtogen compounds Part number:47 |
Nitrate Testing Kit | Aquarium Pharmaceuticals | LR1800 | For water testing Part number:48 |
Nitrite Testing Kit | Aquarium Pharmaceuticals | 26 | For water testing Part number:49 |
Pawfly 2 Inch Air Stones Cylinder 6 PCS Bubble Diffuser Airstones for Aquarium Fish Tank Pump Blue | Amazon | B076S56XWX | Aierating water Part number:50 |
Penn Plax Airline Tubing for Aquariums –Clear and Flexible Resists Kinking, 8 Feet Standard | Amazon | B0002563MM | Tubing for connecting air pump to air stone Part number:51 |
Plumbing with unions/valves plus 3/4" flex hose | Pruss Pets | Local Dealer | Water transport Part number:52 |
PM1 module | Neptune Systems | Local Dealer | Power control module for apex Part number:53 |
Protein skimmer | Reef Octopus | AC20284 | Removes biowaste from system Part number:54 |
PVC Apex Mounting board, grommets, wire mounts | Neptune Systems | Local Dealer | Helps ensure organization for wires and tubing within system Part number:55 |
PVC Regular Cement and 4-Ounce NSF Purple Primer | Amazon | Oatey - 30246 | For connecting PVC pipes Part number:56 |
RODI unit | Neptune Systems | Local Dealer | RO Water Part number:57 |
Salinity Probes | HANNA probes | HI98319 | Measures salinity of water Part number:58 |
Seachem Pristine Aquarium Treatment | Sea Chem | 1438 | Provides bacteria that break down excess food, waste and detritus Part number:59 |
Seachem Stability Fish Tank Stabilizer | Sea Chem | 116012607 | Seachem Stability will rapidly and safely establish the aquarium biofilter in freshwater and marine systems Part number:60 |
Set of lexan tops | Pruss Pets | Local Dealer | Aquarium tank lids Part number:61 |
Set of Various extended length aquabus cables | Neptune Systems | Local Dealer | Cables for Apex system Part number:62 |
SLSON Aquarium Algae Scraper Double Sided Sponge Brush Cleaner Long Handle Fish Tank Scrubber for Glass Aquariums | Amazon | B07DC2TZCJ | Cleaning tool Part number:63 |
Standard-Wall PVC Pipe Fitting for Water, 45 Degree Elbow Adapter, 3/4 Socket Female x 3/4 Socket Male | McMaster | 4880K189 | PVC pipe Part number:64 |
Standard-Wall PVC Pipe Fitting for Water, 90 Degree Elbow Adapter, 1 Socket Female x 1 Socket Male | McMaster | 4880K773 | PVC pipe Part number:65 |
Standard-Wall PVC Pipe Fitting for Water, Adapter, 1 Socket-Connect Female x 1 Barbed Male | McMaster | 4880K415 | PVC pipe Part number:66 |
Standard-Wall PVC Pipe Fitting for Water, Straight Reducer, 2 Socket Female x 3/4 Socket Female | McMaster | 4880K008 | PVC pipe Part number:67 |
Standard-Wall PVC Pipe Fitting for Water, Tee Connector, White, 1 Size Socket-Connect Female | McMaster | 4880K43 | PVC pipe Part number:68 |
Standard-Wall Unthreaded Rigid PVC Pipe for Water, 1 Pipe Size, 10 Feet Long | McMaster | 48925K13 | PVC pipe Part number:69 |
Standard-Wall Unthreaded Rigid PVC Pipe for Water, 3/4 Pipe Size, 5 Feet Long | McMaster | 48925K92 | PVC pipe Part number:70 |
Structural FRP Fiberglass Sheet, 48" Wide x 96" Long, 1/4" Thick | McMaster | 8537K15 | Table top material Part number:71 |
Structural FRP Fiberglass Square Tube, 10 Feet Long, 2" Wide x 2" High Outside, 1/8" Wall Thickness | McMaster | 8548K33 | Structural table materal Part number:72 |
Tank Sediment | TopDawg Pet Supply | 8479001207 | Sediment for bottom of fiddler crab tank Part number:73 |
Temperature probe | Neptune Systems | Local Dealer | Temperature probe for tanks Part number:74 |
Tetra TetraMarine Large Saltwater Flakes for all Marine Fish | Amazon | B00025K0US | Fish, shrimp, and crab food Part number:75 |
Tetra Whisper Aquarium Air Pump for 10 gallon Aquariums | Petco | 2335234 | Air pump for smaller tanks Part number:76 |
Thick-Wall Through-Wall Pipe Fitting, for Water, PVC Connector, 1 Socket-Connect Female | McMaster | 36895K843 | PVC pipe Part number:77 |
Vectra s2 pump | Bulk Reef Supply | 212141 | Aquarium Pump Part number:78 |
Water Pump | TACKLIFE | GHWP1A | Pump for cleaning tanks Part number:79 |
Wyze Cam v2 1080p HD Indoor WiFi Smart Home Camera with Night Vision | Amazon | B076H3SRXG | DeepLabCut Recording Part number:80 |
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