Hoe bewegen zeesterren zonder hersenen? Het antwoord zou gevolgen kunnen hebben voor robotica en meer

Credit: Pexels, Emre Kuzu.

Heb je ooit een zeester zien bewegen? Voor velen van ons lijkt een zeester bewegingsloos, als een rots op de bodem van de oceaan, maar in werkelijkheid hebben ze honderden buisvoetjes die aan hun onderbuik vastzitten. Deze voeten rekken en trekken samen om zich vast te hechten aan ruw terrein, om prooien vast te houden en, natuurlijk, om te bewegen.

Elke buisvoet van een zeester kan autonoom reageren op stimuli, maar samen gekoppeld, kunnen ze hun beweging synchroniseren om een stuiterende beweging te produceren – hun versie van rennen. Jarenlang hebben onderzoekers zich afgevraagd hoe een zeester precies deze synchronisatie bereikt, gezien het geen hersenen heeft en een volledig gedecentraliseerd zenuwstelsel.

Het antwoord, van onderzoekers aan de USC Viterbi School of Engineering, werd onlangs gepubliceerd in het Journal of the Royal Society Interface: zeester koppelt een globaal richtingscommando van een “dominante arm” met individuele, gelokaliseerde reacties op stimuli om gecoördineerde voortbeweging te bereiken. Met andere woorden, zodra de zeester een instructie geeft over welke kant op te bewegen, zoeken de individuele voeten uit hoe dit op eigen kracht te bereiken, zonder verdere communicatie.

De onderzoekers, waaronder professor Eva Kanso in USC Viterbi’s Department of Aerospace and Mechanical Engineering en Sina Heydari, een USC Viterbi Ph.D. kandidaat, werden vergezeld door Matt McHenry, universitair hoofddocent ecologie en evolutionaire biologie aan de Universiteit van Californië, Irvine; Amy Johnson, hoogleraar mariene biologie aan Bowdoin College; en Olaf Ellers, onderzoeksmedewerker in biologie en wiskunde aan Bowdoin College.

Het werk bouwt voort op een bestaand hiërarchisch model van gedrag, maar gaat verder in het verklaren van hoeveel van de voortbeweging van de zeester lokaal gebeurt versus globaal.

“Het zenuwstelsel verwerkt niet alles op dezelfde plaats en op hetzelfde moment, maar vertrouwt op het idee dat de zeester competent is en het wel zal uitzoeken,” zei Kanso, een Zohrab A. Kaprielian Fellow in Engineering. “Als één buisvoet tegen de grond duwt, zullen de anderen de kracht voelen. Deze mechanische koppeling is de enige manier waarop de ene buisvoet informatie deelt met de andere.”

Het zenuwstelsel van een zeester wordt gekenmerkt door een zenuwring die de mond omgeeft en via een radiale zenuw met elke afzonderlijke arm in verbinding staat. De spieren van elke buisvoet worden gestimuleerd door neuronen die verbonden zijn met de radiale en ringzenuwen.

Alle voeten stappen in dezelfde richting tijdens het kruipen, maar hun beweging is niet gesynchroniseerd. Echter, bij het bereiken van de stuiterende gang, lijkt de zeester tientallen voeten te coördineren in twee of drie gesynchroniseerde groepen. Het onderzoeksteam, onder leiding van Kanso, bekeek beide bewegingswijzen, en de overgang daartussen. Het resultaat is een model dat beschrijft hoeveel van de voortbeweging van een zeester wordt bepaald door lokale sensomotorische respons op het niveau van de buisvoeten versus globale sensomotorische commando’s.

In de dierenwereld wordt gedrag vaak beschreven door een van de twee heersende modellen van voortbeweging; gedrag zoals vliegen van insecten is het resultaat van sensorische feedback die door een centraal verwerkingssysteem reist, dat een bericht stuurt dat een respons activeert, of het is het resultaat van volledig gedecentraliseerde, individuele reacties op sensorische informatie, zoals in visscholen of mierenkolonies.

Geen van beide modellen lijkt de beweging van een zeester te beschrijven.

“In het geval van de zeester lijkt het zenuwstelsel te vertrouwen op de fysica van de interactie tussen het lichaam en de omgeving om de voortbeweging te controleren. Alle buisvoeten zijn structureel verbonden met de zeester en dus ook met elkaar.”

Op deze manier is er een mechanisme om “informatie” mechanisch over te dragen tussen buisvoeten. Een individuele buisvoet zou alleen zijn eigen toestand moeten waarnemen (proprioceptie) en dienovereenkomstig reageren. Omdat zijn toestand mechanisch aan andere buisvoeten is gekoppeld, werken zij collectief samen. Als de buisvoeten beginnen te bewegen, produceert ieder een individuele kracht die deel wordt van de zintuiglijke omgeving. Op deze manier reageert elke buisvoet ook op de krachten die door andere buisvoeten worden geproduceerd en uiteindelijk zetten zij een ritme met elkaar op.

Dit is vergelijkbaar met andere mechanische modellen van coördinatie. Neem bijvoorbeeld een set mechanische metronomen, apparaten die worden gebruikt om een muzikant te helpen het ritme of de tijd bij te houden. Je kunt een set van 10 op allemaal verschillende fasen beginnen en ze op hetzelfde vlakke oppervlak laten rusten. Na verloop van tijd zullen ze synchroon lopen. Hier speelt het mechanische koppelingseffect dat bij de zeester te zien is; elke metronoom heeft een mechanische interactie met de fasen die door de andere metronomen zijn gecreëerd en als zodanig “communiceert” hij effectief met de andere metronomen totdat ze beginnen te slaan in een volledig ritme en synchroniciteit.

Hoe het gedrag van zeesterren ons kan helpen efficiëntere robotsystemen te ontwerpen

Inzicht in hoe een gedistribueerd zenuwstelsel, zoals dat van een zeester, complexe, gecoördineerde bewegingen tot stand brengt, zou kunnen leiden tot verbeteringen op gebieden zoals de robotica. In robotica-systemen is het relatief eenvoudig om een robot te programmeren om repetitieve taken uit te voeren. Maar in complexere situaties waar maatwerk vereist is, krijgen robots met moeilijkheden te maken. Hoe kunnen robots worden gebouwd om dezelfde voordelen toe te passen op een complexer probleem of een complexere omgeving?

Het antwoord zou kunnen liggen in het model van de zeester, zei Kanso. “Aan de hand van het voorbeeld van een zeester kunnen we controllers zo ontwerpen dat leren hiërarchisch kan gebeuren. Er is een gedecentraliseerde component voor zowel de besluitvorming als voor de communicatie met een globale autoriteit. Dit zou nuttig kunnen zijn voor het ontwerpen van besturingsalgoritmen voor systemen met meerdere actuatoren, waarbij we veel van de controle delegeren aan de fysica van het systeem – mechanische koppeling – in plaats van de input of interventie van een centrale controller.”

Volgende zullen Kanso en haar team bekijken hoe het globale richtingscommando in de eerste plaats ontstaat en wat er gebeurt als er concurrerende stimuli zijn.