Для просмотра этого контента требуется подписка на Jove Войдите в систему или начните бесплатную пробную версию.
Method Article
Понимание уникальных физиологических и анатомических структур осьминогов может оказать большое влияние на биомедицинские исследования. Это руководство демонстрирует, как настроить и поддерживать морскую среду для размещения этого вида, и включает в себя современные методы визуализации и аналитические подходы для визуализации анатомии и функции нервной системы осьминога.
Многие разработки в биомедицинских исследованиях были вдохновлены открытием анатомических и клеточных механизмов, которые поддерживают определенные функции у разных видов. Осьминог является одним из этих исключительных животных, которые дали ученым новое понимание в области неврологии, робототехники, регенеративной медицины и протезирования. Исследования с этим видом головоногих моллюсков требуют создания сложных учреждений и интенсивной терапии как для осьминога, так и для его экосистемы, что имеет решающее значение для успеха проекта. Эта система требует нескольких механических и биологических систем фильтрации, чтобы обеспечить безопасную и чистую среду для животного. Наряду с системой управления требуется специализированное текущее техническое обслуживание и очистка для эффективного поддержания работы объекта в течение длительного времени. Рекомендуется обеспечить обогащенную среду для этих умных животных, изменяя ландшафт аквариума, включая разнообразную добычу и вводя сложные задачи для их работы. Наши результаты включают МРТ и аутофлуоресцентную визуализацию всего тела, а также поведенческие исследования, чтобы лучше понять их нервную систему. Осьминоги обладают уникальной физиологией, которая может повлиять на многие области биомедицинских исследований. Предоставление им устойчивой экосистемы является первым важным шагом в раскрытии их отличительных возможностей.
Новые концепции в биомедицинских исследованиях и биомедицинской инженерии часто вдохновляются определением конкретных стратегий, которыми обладают биологические виды для решения экологических и физиологических условий и проблем. Например, понимание свойств флуоресценции у светлячков привело к разработке новых флуоресцентных датчиков, которые могут сообщать о клеточной активности в других модельных организмах1; идентификация ионных каналов, активируемых светом в водорослях, привела к развитию клеточной и временной специфической световой нейромодуляции2,3,4,5; обнаружение белков в стеклянном соме, которые ориентируются в соответствии с магнитным полем Земли, привело к развитию магнитной нейромодуляции6,7,8,9,10,11; Понимание сифонного рефлекса в Aplysia сыграло важную роль в понимании клеточной основы поведения12,13,14.
Исследователи продолжают расширять современный набор инструментов биоинженерии и филогенетики, используя уникальные сильные стороны и новые перспективы физиологических функций, которые имеют нетрадиционные лабораторные виды. Федеральные агентства начинают поддерживать эти направления исследований, финансируя новые работы, выполненные на различных видах.
Одним из родов животных с уникальной анатомией и возможностями регенерации, а также адаптивным управлением каждым из его рук, увлекательными биологами и инженерами и увлекательными аудиториями из всех частей общества является Octopus17. Действительно, многие аспекты физиологии и поведения осьминога были изучены за последние десятилетия15,16,17,18,19,20,21,22,23,24,25,26 . Однако последние разработки в области молекулярной и эволюционной биологии, робототехники, записи движения, визуализации, машинного обучения и электрофизиологии ускоряют открытия, связанные с физиологией и поведением осьминога, и переводят их в инновационные стратегии биоинженерии27,28,29,30,31,32,33,34,35 ,36,37,38,39.
Здесь мы описываем, как создать и поддерживать разведение осьминогов, которое будет представлять интерес и актуальность для ученых и инженеров из разных слоев общества, научных интересов и целей. Тем не менее, наши результаты сосредоточены на применении осьминогов в нейробиологии и нейроинженерных исследованиях. Осьминог имеет высокоразвитую нервную систему с 45 миллионами нейронов в центральном мозге, 180 миллионами нейронов в зрительных долях и дополнительными 350 миллионами нейронов в восьми осевых тяжях и периферических ганглиях; для сравнения, собака имеет аналогичное количество нейронов, а кошка только половина из них 40. В отличие от нервной системы позвоночных, существует только 32K эфферентных и 140K афферентных волокон, соединяющих миллионы нейронов в мозге осьминога с миллионами нейронов в осевых тяжках каждой из их рук40,41,42. Эти относительно немногие взаимосвязанные волокна предполагают, что большинство деталей для выполнения двигательных программ выполняются в самом осевом шнуре, подчеркивая уникально распределенный нейронный контроль, которым обладают осьминоги. Руки осьминога имеют исключительный тонкий моторный контроль, позволяющий им манипулировать навыками, такими как открытие крышек банок, даже когда они находятся внутри контейнера. Эта высокоразвитая моторная способность является уникальной для класса головоногих моллюсков (осьминог, каракатица и кальмар)43.
Действительно, за сотни миллионов лет эволюции осьминог разработал замечательный и сложный геном и физиологическую систему43,44, которая вдохновила на новые разработки и прогресс в научных и инженерных областях. Например, водостойкий клейкий пластырь на основе анатомического строения присосок осьминога может прилипать к влажным и сухим поверхностям45; синтетический камуфляжный материал, вдохновленный камуфляжной кожей осьминога, может превратить плоскую 2D-поверхность в трехмерную с бугорками и ямами46. Миниатюрные мягкие и автономные роботы (т.е. октоботы), которые в будущем могли бы служить хирургическими инструментами внутри тела47; также была разработана рука (т.е. OctoArm), прикрепленная к танкоподобному роботу48. Многие виды осьминогов используются в биомедицинских исследованиях, например, Octopus vulgaris, Octopus sinensis, Octopus variabilis и Octopus bimaculoides (O. bimaculoides); Наиболее распространенными являются O. vulgaris и O. bimaculoides34,49,50. Недавнее секвенирование различных геномов осьминогов делает этот род особенно интересным и открывает новые рубежи в исследованиях осьминогов34,43,51,52.
O. bimaculoides, используемый в нашей установке, является видом осьминога среднего размера, впервые обнаруженным в 1949 году, который можно найти на мелководье у северо-восточного побережья Тихого океана от центральной Калифорнии до юга полуострова Нижняя Калифорния17. Его можно узнать по ложным пятнам на его мантии под глазами. По сравнению с гигантским тихоокеанским осьминогом (Enteroctopus dofleini) и обыкновенным осьминогом (O. vulgaris), калифорнийский двухточечный осьминог (O. bimaculoides) относительно невелик по размеру, начиная с меньшего количества сантиметров, быстро растет как молодь. При выращивании в лаборатории размер взрослой мантии может вырасти до среднего размера 100 см и весить до 800 г53,54. Осьминоги имеют быстрый период роста в течение первых 200 дней; к тому времени они считаются взрослыми и продолжают расти на протяжении всей оставшейся жизни55,56,57. Осьминоги могут быть каннибалами, особенно когда оба пола размещены вместе в аквариуме; поэтому их нужно размещать индивидуально в отдельных резервуарах58.
Все исследования на животных были одобрены Институциональным комитетом по уходу за животными и их использованию (IACUC) Мичиганского государственного университета.
1. Настройка оборудования резервуара Octopus
Рисунок 1: Установка резервуара Octopus. Вход и выход воды (a). Три резервуара для осьминогов площадью 1,22 м x 0,3 м (b). Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этого рисунка.
Рисунок 2: Система отстойников. Вид сбоку системы отстойников (а). Вид сверху системы отстойников (b). Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этого рисунка.
Рисунок 3: Аквариум с системой фильтрации отстойников под резервуаром и блоками контроля окружающей среды. Зелеными стрелками обозначено направление потока воды через систему. Вода, текущая из секции с первой по вторую для охлаждения и на три, чтобы отделить тяжелое биологическое вещество от более легкого вещества. Тяжелые отходы всплывают на дно и выходят в пятую секцию, в то время как более мелкое биологическое вещество поступает в фильтр носков в четвертой секции. Вода течет из четырех под пятой секцией, входя в белковый скиммер в шести, чтобы удалить оставшиеся отходы в воде. Бункер водорослей содержит микроорганизмы для разрушения отходов, аммиака и нитратов, а также для насыщения воды кислородом. В последней части системы добавляется больше воды для учета испарения перед закачкой обратно в резервуар. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этого рисунка.
2. Резервуары для хранения
3. Установка резервуара для пищевых продуктов
4. Введение осьминога в аквариум
5. Ежедневный уход
6. Еженедельная санитария
Рисунок 4: Резервуар для крабов-скрипачей (Minuca pugnax). Дно резервуара наполовину предназначено для сухого слоя, а другая половина для 2 см мелкой соленой воды. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этого рисунка.
Рисунок 5: Резервуар для креветок-призраков (Palaemonetes paludosus). Камни в резервуаре для креветок обеспечивают места для укрытия и линьки креветок, а также для роста микроорганизмов. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этого рисунка.
7. Уход за нездоровыми животными
8. Анестезия осьминога
9. Эвтаназия осьминога
10. Поведение O. bimaculoides
11. МРТ осьминога
ПРИМЕЧАНИЕ: Ранее вызванные функциональные ответы МРТ в сетчатке осьминога были измерены у анестезированных животных70. Здесь мы получили МРТ нервной системы осьминога со сверхвысоким пространственным разрешением, которое требовало нескольких часов сканирования. Таким образом, это было выполнено в усыпленном O. bimaculoides.
12. Криофлуоресцентная томография (ЦФТ)
Все животные в наших исследованиях были получены из дикой природы, и поэтому их точный возраст не мог быть определен, и их пребывание в лаборатории было переменным. Состояние осьминога наблюдалось ежедневно. Мы не видели паразитов, бактерий, повреждений кожи или ненормального поведени?...
Настройка системы:
Аквариумная экосистема была разработана таким образом, что используются как механические, так и биологические методы фильтрации и насыщения воды кислородом. Фильтрующие элементы системы используют носковые фильтры, белковые скиммеры и регулярную очистк...
Все авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов.
Эта работа была поддержана NIH UF1NS115817 (G.P.). G.P. частично поддерживается грантами NIH R01NS072171 и R01NS098231. Мы хотели бы поблагодарить Патрика Закшевки и Мохаммеда Фархуда из Emit Imaging за помощь и поддержку в сборе и визуализации данных на платформе Xerra Imaging. МГУ имеет исследовательское соглашение с 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 |
Запросить разрешение на использование текста или рисунков этого JoVE статьи
Запросить разрешениеThis article has been published
Video Coming Soon
Авторские права © 2025 MyJoVE Corporation. Все права защищены