הבנת המבנים הפיזיולוגיים והאנטומיים הייחודיים של תמנונים יכולה להשפיע מאוד על המחקר הביו-רפואי. מדריך זה מדגים כיצד להקים ולתחזק סביבה ימית כדי להכיל מין זה וכולל הדמיה חדשנית וגישות אנליטיות כדי לדמיין את האנטומיה והתפקוד של מערכת העצבים של התמנון.
התפתחויות רבות במחקר הביו-רפואי הושפעו מגילוי מנגנונים אנטומיים ותאיים התומכים בתפקודים ספציפיים במינים שונים. התמנון הוא אחד מאותם בעלי חיים יוצאי דופן שהעניקו למדענים תובנות חדשות על תחומי מדעי המוח, רובוטיקה, רפואה רגנרטיבית ותותבות. מחקר עם מין זה של צפלופודים דורש הקמת מתקנים מורכבים וטיפול נמרץ הן לתמנון והן למערכת האקולוגית שלו שהיא קריטית להצלחת הפרויקט. מערכת זו דורשת מערכות סינון מכניות וביולוגיות מרובות כדי לספק סביבה בטוחה ונקייה עבור החיה. יחד עם מערכת הבקרה, תחזוקה וניקוי שגרתיים מיוחדים נדרשים כדי לשמור ביעילות על המתקן פועל לטווח ארוך. מומלץ לספק סביבה מועשרת לבעלי חיים אינטליגנטיים אלה על ידי שינוי הנוף של הטנק, שילוב מגוון טרף, והכנסת משימות מאתגרות עבורם לעבוד. התוצאות שלנו כוללות MRI והדמיה אוטופלואורסצנטית לכל הגוף, כמו גם מחקרים התנהגותיים כדי להבין טוב יותר את מערכת העצבים שלהם. לתמנונים יש פיזיולוגיה ייחודית שיכולה להשפיע על תחומים רבים במחקר הביו-רפואי. לספק להם מערכת אקולוגית בת קיימא הוא הצעד המכריע הראשון בחשיפת היכולות הייחודיות שלהם.
מושגים חדשים במחקר ביו-רפואי ובהנדסה ביו-רפואית מושפעים לעתים קרובות מזיהוי אסטרטגיות ספציפיות שיש למינים ביולוגיים כדי להתמודד עם תנאים ואתגרים סביבתיים ופיזיולוגיים. לדוגמה, הבנת תכונות הפלואורסצנטיות בגחליליות הובילה לפיתוח חיישנים פלואורסצנטיים חדשים שיכולים לדווח על פעילות תאית באורגניזמים מודל אחרים1; זיהוי תעלות יונים המופעלות על ידי אור באצות הובילה להתפתחות של תאית וטמפורלית ספציפית אור מבוסס אור-neuromodulation2,3,4,5; גילוי חלבונים שפמנון זכוכית המנווטים על פי השדה המגנטי של כדור הארץ הוביל להתפתחות של נוירומודולציה מגנטית-מבוססת6,7,8,9,10,11; הבנת רפלקס הסיפון באפליסיה סייעה להבנת הבסיס התאי להתנהגות12,13,14.
החוקרים ממשיכים להרחיב על ההנדסה הביולוגית הנוכחית וארגז הכלים הפילוגנטי על ידי ניצול נקודות החוזק הייחודיות ונקודות המבט החדשניות על פונקציות פיזיולוגיות שמינים מעבדה לא קונבנציונליים מחזיקים. סוכנויות פדרליות מתחילות לתמוך בקווי מחקר אלה על ידי מימון עבודה חדשנית המבוצעת על מינים מגוונים.
סוג אחד של בעלי חיים בעלי יכולות אנטומיה והתחדשות ייחודיות, כמו גם השליטה הסתגלותית של כל אחת מזרועותיו, ביולוגים ומהנדסים מרתקים, וקהלים שובי לב מכל חלקי החברה הוא התמנון 17. ואכן, היבטים רבים של הפיזיולוגיה וההתנהגות של התמנון נחקרו בעשורים האחרונים15,16,17,18,19,20,21,22,23,24,25,26 . עם זאת, ההתפתחויות האחרונות בביולוגיה מולקולרית ואולוציונית, רובוטיקה, הקלטת תנועה, הדמיה, למידת מכונה ואלקטרופיזיולוגיה מאיצות תגליות הקשורות לפיזיולוגיה והתנהגות תמנון ומתרגמות אותן לאסטרטגיות ביו-הנדסה חדשניות27,28,29,30,31,32,33,34,35 36,37,38,39.
כאן אנו מתארים כיצד להקים ולתחזק גידול תמנון, אשר יהיה עניין ורלוונטי למדענים ומהנדסים מרקעים שונים, תחומי עניין מדעיים, ומטרות. עם זאת, התוצאות שלנו מתמקדות ביישום תמנונים במדעי המוח ובמחקר הנדסה עצבית. לתמנון מערכת עצבים מפותחת מאוד עם 45 מיליון נוירונים במוח המרכזי, 180 מיליון נוירונים באונות האופטיות, ו-350 מיליון נוירונים נוספים בשמונת חבלי צירי וגרעינים היקפיים; לשם השוואה, לכלב יש מספר דומה של נוירונים וחתול רק חצי ממנו40. שלא כמו מערכת העצבים החולייתית, ישנם רק סיבים 32K efferent ו 140K afferent המחברים את מיליוני הנוירונים במוח התמנון למיליוני נוירונים בכל אחד מהסיבים ציריים של זרועם40,41,42. סיבים יחסית אלה יחסית מחוברים מצביעים על כך שרוב הפרטים לביצוע התוכניות המוטוריות מבוצעים בלב צירי עצמו, תוך שים דגש על השליטה העצבית המופצת באופן ייחודי שיש לתמנונים. לזרועות התמנון יש שליטה מוטורית עדינה ויוצאת דופן המאפשרת להם מיומנויות מניפולציה כגון פתיחת מכסי צנצנת, גם כאשר הם נמצאים בתוך המיכל. יכולת מוטורית מפותחת זו ייחודית לסוג של צפלופודים (תמנון, דיונון ודיונונים)43.
ואכן, באמצעות מאות מיליוני שנות אבולוציה, פיתח התמנון מערכת גנום ופיזיולוגית יוצאת דופן ומתוחכמת43,44, שהעניקה השראה להתפתחות ולהתקדמות חדשות בתחומי המדע וההנדסה. לדוגמה, תיקון דבק עמיד במים המבוסס על המבנה האנטומי של פראיירי התמנון יכול להיצמד למשטחים רטובים ויבשים45; חומר הסוואה סינתטי בהשראת עור ההסוואה של התמנון יכול להפוך משטח שטוח ודו-ממדי למשטח תלת מימדי עם בליטות ובורות46. רובוטים רכים ואוטונומיים זעירים (כלומר, אוקטובוטים) שבעתיד יוכלו לשמש ככלים כירורגיים בתוך הגוף47; וזרוע (כלומר, OctoArm) המחוברת לרובוט דמוי טנק48 פותחו גם הם. מינים רבים של תמנונים משמשים במחקר ביו-רפואי למשל, תמנון וולגאריס, תמנון סיננסיס, אוקטופוס variabilis, ו תמנון bimaculoides (O. bimaculoides); O. וולגרי ו O. bimaculoides להיות הנפוץ ביותר 34,49,50. הרצף האחרון של גנומים תמנון שונים עושה סוג זה של עניין מיוחד ופותח גבולות חדשים במחקר תמנון34,43,51,52.
O. bimaculoides המשמשים בהקמה שלנו הוא מין בגודל בינוני של תמנון, שהתגלה לראשונה בשנת 1949, שניתן למצוא במים רדודים מול חופי צפון מזרח האוקיינוס השקט ממרכז קליפורניה לדרום חצי האי באחה קליפורניה17. זה יכול להיות מזוהה על ידי כתמי עיניים כוזבים על המעטפת שלה מתחת לעיניו. בהשוואה לתמנון ענק באוקיינוס השקט (Enteroctopus dofleini) ולתמנון המשותף (O. vulgaris), התמנון הדו-ספוט של קליפורניה (O. bimaculoides) קטן יחסית, מתחיל קטן מכמה סנטימטרים, גדל במהירות כצעיר. כאשר גדל בתוך מעבדה, גודל המעטפת למבוגרים יכול לגדול לגודל ממוצע של 100 ס”מ ולשקול עד 800 g53,54. לתמנונים יש תקופת צמיחה מהירה ב-200 הימים הראשונים שלהם; עד אז, הם נחשבים למבוגרים וממשיכים לגדול לאורך כל חייהם55,56,57. תמנונים יכולים להיות קניבליסטיים, במיוחד כאשר שני המינים שוכנים יחד בתוך טנק; לכן, הם צריכים להיות שוכנים בנפרד בטנקים נפרדים58.
התקנת מערכת:
המערכת האקולוגית של האקווריום פותחה באופן שבו מועסקות שיטות מכניות וביולוגיות לסינון וחימצון המים. רכיבי הסינון של המערכת משתמשים במסנני גרביים, ברפרוף חלבונים ובניקוי קבוע כדי לשמור על רמות החנקן והחמצן. חשוב מכך, אנו מסתמכים גם על מיקרואורגניזמים ימיים כדי לצרו?…
The authors have nothing to disclose.
עבודה זו נתמכה על ידי NIH UF1NS115817 (G.P.). G.P. נתמך חלקית על ידי מענקי NIH R01NS072171 ו- R01NS098231. ברצוננו להודות לפטריק זכרצ’וקי ומוחמד פרחוד מ-Emit Imaging על העזרה והתמיכה באיסוף והדמיה של הנתונים בפלטפורמת ההדמיה של Xerra. MSU יש הסכם מחקר עם Bruker Biospin.
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 |