Altro che indovini, ecco perché i polpi non si imbrogliano e ci possono aiutare davvero [VIDEO]
[16 Maggio 2014]
Con lo studio “Self-Recognition Mechanism between Skin and Suckers Prevents Octopus Arms from Interfering with Each Other” pubblicato su Current Biology, un team di ricercatori della Hebrew University di Gerusalemme della City University di New York (Nir Nesher, Guy Levy, Frank W. Grasso, Binyamin Hochner), potrebbero aver risolto uno dei misteri de polpi – tornati alla ribalta impropriamente perché ritenuti indovini, vedi la storia del polpo Paul che magari tornerà di moda in occasione dei prossimi mondiali di calcio – , con ricadute anche per quanto riguarda la robotica medica.
Il team israelo-statunitense sottolinea che «Il controllo dei movimenti di arti flessibili è un compito impegnativo per il polpo a causa del numero virtualmente infinito di “degrees of freedom” (Dof – gradi di libertà)». I Polpi semplificano questo controllo utilizzando modelli di movimento stereotipati che riducono i Dof in uno spazio di controllo. Lo studio evidenzia che «Questi movimenti vengono attivati dal cervello e sono generati da programmi motori incorporati nel sistema neuromuscolare periferico del braccio. Le centinaia di ventose lungo ciascun braccio hanno la tendenza ad attaccarsi a qualsiasi oggetto si mettono in contatto. L’esistenza di questo riflesso potrebbe creare problemi significativi con interazioni non pianificate tra le braccia, se non adeguatamente gestite. Questo problema rischia di essere accentuato perché si ammette che i polpi “non sono a conoscenza delle loro braccia”».
I ricercatori hanno scoperto «Un meccanismo di auto-riconoscimento che ha un nuovo ruolo nel controllo motorio, impedendo alle braccia di interferire con le altre». Lo studio dimostra che le ventose dei tentacoli amputati non si attaccano alla pelle del polpo perché una sostanza chimica nella stessa pelle inibisce il riflesso di presa delle ventose: «Il meccanismo periferico sembra essere superato dal controllo centrale perché, a differenza delle braccia amputate, il comportamento dei polpi a volte è quello di afferrare le braccia amputate. Sorprendentemente, polpi sembrano identificare le proprie braccia amputate, dato che trattano le braccia di altri polpi come cibo più spesso delle loro. Questo meccanismo di auto-riconoscimento è una nuova componente periferica nella “embodied organization” delle interazioni adattative tra il cervello del polpo, il corpo e l’ambiente».
Insomma, come spiegano ancora gli stessi ricercatori dell’ Hebrew University su EurekAlert!, le ventose dei tentacoli del polpo si attaccano a qualsiasi cosa, con una importante eccezione: in genere non si attaccano al polpo stesso; in caso contrario, questi molluschi straordinariamente flessibili si troverebbero presto aggrovigliati. Ma i ricercatori dicono anche che i cervelli dei polpi «Non sono consapevoli di ciò che stanno facendo le loro braccia. Una sostanza chimica prodotta dalla pelle del polpo impedisce temporaneamente alle loro ventose di attaccarsi». Levy ha detto: «Siamo rimasti sorpresi che nessuno prima di noi avesse notato questo fenomeno molto forte e facile da rilevare. Siamo rimasti completamente sorpresi dalla soluzione semplice e geniale del polpo a questo problema potenzialmente molto complicato».
Il team guidato da Hochner lavora da molti anni con i polpi, concentrandosi in particolare sui tentacoli e sul controllo motorio del corpo e dicono che c’è una buona ragione perché i polpi abbiano gli arti esattamente dove sono: «Il nostro sistema di controllo motorio si basa su una rappresentazione piuttosto fissa dei sistemi motori e sensoriali nel cervello in una formante di mappe che hanno le loro coordinate in parti del corpo – spiega Hochner – Il che lavora per noi, perché i nostri scheletri rigidi limitano il numero di possibilità. E’ difficile prevedere che meccanismi simili funzionino nel cervello del polpo perché i suoi arti molto lunghi e flessibili hanno un numero infinito di “degrees of freedom”. Pertanto, l’utilizzo di tali mappe sarebbe tremendamente difficile per il polpo, e forse addirittura impossibile».
Ad occuparsi degli esperimenti con i polpi vivi è stato un team guidato da Nesher, del dipartimento di neurobiologia del Silberman Institute of Life Sciences dell’Hebrew University di Gerusalemme. Un tentacolo di polpo è una meraviglia biologica: un organo sensoriale che contiene circa 40 milioni di recettori tattili e chimici, concentrati soprattutto lungo i bordi di ogni ventosa. Nesher ed i suoi colleghi sospettavano che ci fosse qualcosa nella pelle polpo, forse un segnale tattile o chimico, che scoraggia i tentacoli ad attaccarsi tra loro. Infatti, gli esperimenti hanno confermato l’idea che i polpi non conoscano in maniera precisa la posizione dei loro tentacoli, il che ha sollevato una domanda interessante: allora come fanno i polpi ad evitare di annodarsi? Per rispondere, i ricercatori hanno osservato il comportamento dei tentacoli amputati dei polpi, che restano molto attivi per un’ora dopo la separazione. Hanno così dimostrato che i tentacoli non si attaccano alla pelle del polpo da cui provengono. I tentacoli del polpo non hanno afferrato le capsule di Petri ricoperte di pelle polpo, oppure si sono attaccati con molto meno forza alle capsule ricoperte con estratto di pelle di polpo di quanto facessero con altri materiali. I ricercatori hanno concluso che «I risultati mostrano finora, e per la prima volta, che la pelle del polpo impedisce alle braccia del polpo di attaccarsi l’un l’altra ed a se stesse in maniera riflessiva. La drastica riduzione della risposta all’estratto di pelle grezzo suggerisce che un segnale chimico specifico nella pelle media l’inibizione della ventosa ad afferrare».
Ma, a differenza dei tentacoli amputati, i polpi vivi, quando gli serve, possono ignorare questo meccanismo automatico: a volte afferrano un tentacolo amputato per cibarsene (il cannibalismo nell’Octopus vulgaris , il polpo comune, è noto) e sembrano essere più propensi a farlo quando quell’arto apparteneva ad un altro polpo. Mentre le braccia amputate respingevano tutte gli altri tentacoli amputati, i polpi vivi in alcuni casi, mostravano il tipico comportamento di “cattura della preda”, ma in altri casi evitavano del tutto i tentacoli amputati ed a volte hanno mostrato un «Insolito comportamento di alimentazione», nel quale il polpo ha portato il tentacolo amputato alla bocca, ma lo ha semplicemente trattenuto pensolante dal suo becco, non toccandolo con i suoi tentacoli. Un comportamento bizzarro che Nesher ha chiamato “spaghetti holding”.
Insomma, il cervello del polpo andrebbe rapidamente in tilt se dovesse mantenere una rappresentazione mentale della posizione spaziale di ciascun tentacolo, quindi ogni tentacolo ha un suo processo attraverso il quale evita di aggrovigliarsi con gli altri. Ma a volte il polpo ha bisogno di modulare tale processo rigido e può farlo grazie ai circuiti cerebrali più complessi e forse anche a dei meccanismi cognitivi. Questo aiuta a spiegare lo strano e scomodo comportamento “spaghetti holding”, «Dopo tutto il becco – dice Nesher – è l’unico organo che consente il trattenimento quando l’azione delle ventose è inibita». Levy spiega a sua volta: «Circa due terzi del sistema nervoso polpo è nei tentacoli. Il sistema nervoso locale delle braccia analizza localmente le informazioni sensoriali e manda le “conclusioni” al cervello. Ecco perché, essendo controllate dal sistema nervoso locale, le ventose sulle braccia polpo non hanno afferrato il braccio amputato, mentre la bocca lo ha fatto entrare in contatto».
Questo significa che i polpi hanno capacità di auto-riconoscimento? Forse no. I polpi sono indubbiamente creature sofisticate, ma questa ricerca rivela che comportamenti apparentemente complessi possono emergere da un insieme di riflessi semplici. Il che non significa che le capacità cognitive dei polpi siano illusorie, ma solo che non necessariamente tutto può essere descritto con forme di auto-riconoscimento. Il polpo è un animale altamente specializzato e Nesher evidenzia ce «La morfologia e la flessibilità del corpo polpo sono così insolite che quasi tutti i livelli della loro organizzazione del sistema motorio, dai centri di controllo motori superiori, all’ elaborata autonomia del sistema nervoso periferico delle braccia, fino al sistema neuromuscolare dei tentacoli, hanno voluto proprietà speciali».
Sui risultati dello studio israelo-americano The scientist ha intervistato Graziano Fiorito, della Stazione Zoologica Anton Dohrn di Napoli, che ha detto: «Dal nostro lavoro precedente, sappiamo che gli animali sono in grado di riconoscere e ricordare per almeno un giorno gli individui conspecifici precedentemente incontrati. Questo schema permette al polpo di utilizzare le sue braccia per comportamenti come la ricerca e la raccolta, senza dover calcolare dove e quando gli arti possono toccarsi, impedendogli di imbrogliarsi. Anche se i diversi polpi hanno diversi adattamenti e stili di vita, è possibile che i fenomeni che studiamo non siano relegati a una singola specie».
Il team diHochner non ha ancora identificato l’agente attivo nel comportamento “self-avoidance” di questi cefalopodi, ma sottolineano che si tratta dell’ennesima dimostrazione dell’intelligenza dei polpi e che questa strategia potrebbe essere applicata nella a progettazione di robot bioinspired. Nesher spiega ancora: «i soft robot soft hanno il vantaggio di poter rimodellare il proprio corpo. Questo è particolarmente vantaggioso in ambienti non familiari con molti ostacoli che possono essere bypassati solo da manipolatori flessibili, quale l’ambiente interno del corpo umano». Infatti, i ricercatori condividono i loro risultati con il progetto Stiff-Flop dell’Unione europea, che punta a sviluppare un manipolatore chirurgico flessibile simile ad un tentacolo di polpo. Hochner conclude: «Speriamo e crediamo che questo meccanismo troverà espressione in queste nuove classi di robot e nei loro sistemi di controllo».