Hvordan bevæger søstjerner sig uden en hjerne? Svaret kan få betydning for robotteknologi og mere

Har du nogensinde set en søstjerne bevæge sig? For mange af os virker søstjernen ubevægelig, som en sten på havets bund, men i virkeligheden har de hundredvis af rørfødder fastgjort til deres underliv. Disse fødder strækker og trækker sig sammen for at holde fast i ujævnt terræn, holde fast i byttet og selvfølgelig bevæge sig.

En enkelt rørfod på en søstjerne kan reagere selvstændigt på stimuli, men sammen kan de synkronisere deres bevægelse for at skabe en hoppende bevægelse – deres version af at løbe. I årevis har forskere undret sig over præcis, hvordan en søstjerne opnår denne synkronisering, da den ikke har nogen hjerne og et fuldstændig decentraliseret nervesystem.

Svaret, fra forskere ved USC Viterbi School of Engineering, blev for nylig offentliggjort i Journal of the Royal Society Interface: søstjernen kobler en global retningsbestemmelse fra en “dominerende arm” med individuelle, lokaliserede reaktioner på stimuli for at opnå koordineret lokomotion. Med andre ord, når først søstjernen giver en instruktion om, hvilken vej søstjernen skal bevæge sig, finder de enkelte fødder selv ud af, hvordan de skal opnå dette uden yderligere kommunikation.

Forskerne, herunder professor Eva Kanso fra USC Viterbi’s Department of Aerospace and Mechanical Engineering og Sina Heydari, der er ph.d.-studerende ved USC Viterbi.D.-kandidat, fik selskab af Matt McHenry, lektor i økologi og evolutionsbiologi ved University of California, Irvine; Amy Johnson, professor i marinbiologi ved Bowdoin College; og Olaf Ellers, forskningsmedarbejder i biologi og matematik ved Bowdoin College.

Arbejdet bygger på en eksisterende hierarkisk model for adfærd, men går videre i forklaringen af, hvor meget af søstjernens lokomotion der sker lokalt i forhold til globalt.

“Nervesystemet behandler ikke alt på samme sted på samme tid, men bygger på ideen om, at søstjernen er kompetent og vil finde ud af det,” siger Kanso, Zohrab A. Kaprielian Fellow i ingeniørvidenskab. “Hvis en rørfod skubber mod jorden, vil de andre mærke kraften. Denne mekaniske kobling er den eneste måde, hvorpå en rørfod deler information med en anden.”

Nervesystemet hos en søstjerne er kendetegnet ved en nerve ring, der omgiver dens mund og forbinder til hver enkelt arm gennem en radial nerve. Musklerne i hver rørfod stimuleres af neuroner, der er forbundet med radial- og ringnerven.

Alle fødder træder i samme retning, mens de kravler, men deres bevægelse er ikke synkroniseret. Når søstjernen opnår den hoppende gangart, ser det imidlertid ud til, at den koordinerer snesevis af fødder i to eller tre synkroniserede grupper. Forskningsholdet, ledet af Kanso, undersøgte begge bevægelsesformer og overgangen mellem dem. Resultatet er en model, der beskriver, hvor meget af en søstjernes lokomotion der bestemmes af lokal sansemotorisk respons på rørfodsniveau i forhold til globale sansemotoriske kommandoer.

I dyreverdenen beskrives adfærd ofte ved en af de to fremherskende modeller for lokomotion; adfærd som insektflugt er resultatet af sensorisk feedback, der går gennem et centralt behandlingssystem, som sender en besked, der aktiverer en respons, eller den er resultatet af helt decentraliserede, individuelle reaktioner på sensorisk information som i fiskeskoler eller myrekolonier.

Ingen af disse modeller synes at beskrive bevægelsen hos en søstjerne.

“I tilfældet med søstjernen synes nervesystemet at være afhængig af fysikken i samspillet mellem kroppen og omgivelserne for at kontrollere bevægelsen. Alle rørfødderne er strukturelt knyttet til søstjernen og dermed til hinanden.”

På denne måde er der en mekanisme til, at “information” kan kommunikeres mekanisk mellem rørfødderne. Den enkelte rørfod behøver kun at fornemme sin egen tilstand (proprioception) og reagere i overensstemmelse hermed. Fordi dens tilstand er mekanisk koblet til andre rørfødder, arbejder de sammen kollektivt. Når rørfødderne begynder at bevæge sig, frembringer de hver især en individuel kraft, som bliver en del af det sensoriske miljø. På denne måde reagerer hver rørfod også på de kræfter, der produceres af andre rørfødder, og til sidst etablerer de en rytme med hinanden.

Dette svarer til andre mekaniske modeller for koordinering. Tag f.eks. et sæt mekaniske metronomer, apparater, der bruges til at hjælpe en musiker med at holde rytme eller takt. Du kan starte et sæt på 10 i alle forskellige faser og lade dem hvile på den samme flade overflade. Med tiden vil de blive synkroniseret. Hver metronom interagerer mekanisk med de faser, der er skabt af de andre metronomer, og som sådan “kommunikerer” de effektivt med de andre metronomer, indtil de begynder at slå i fuldstændig rytme og synkronisering.

Hvordan søstjerners adfærd kan hjælpe os med at designe mere effektive robotsystemer

Forståelse af, hvordan et distribueret nervesystem, som det i en søstjerne, opnår komplekse, koordinerede bevægelser, kan føre til fremskridt inden for områder som f.eks. robotteknologi. I robotsystemer er det relativt ligetil at programmere en robot til at udføre gentagne opgaver. Men i mere komplekse situationer, hvor der er behov for tilpasning, står robotter over for vanskeligheder. Hvordan kan robotter konstrueres til at anvende de samme fordele på et mere komplekst problem eller miljø?

Svaret ligger måske i søstjernemodellen, sagde Kanso. “Hvis vi bruger eksemplet med en søstjerne, kan vi designe styringer, så læring kan ske hierarkisk. Der er en decentraliseret komponent til både beslutningstagning og til at kommunikere til en global myndighed. Dette kunne være nyttigt til at designe kontrolalgoritmer for systemer med flere aktuatorer, hvor vi uddelegerer en stor del af kontrollen til systemets fysik – mekanisk kobling – i stedet for input eller indgreb fra en central controller.”

Næste gang vil Kanso og hendes hold undersøge, hvordan den globale retningsbestemmelse opstår i første omgang, og hvad der sker, hvis der er konkurrerende stimuli.