Hur rör sig sjöstjärnor utan hjärna? Svaret kan påverka robotik med mera

Har du någonsin sett en sjöstjärna röra sig? För många av oss verkar sjöstjärnor orörliga, som en sten på havets botten, men i själva verket har de hundratals rörfötter fästade på sin underkropp. Dessa fötter sträcker sig och drar sig samman för att fästa på ojämn terräng, hålla fast vid byten och naturligtvis för att röra sig.

Varje rörfot på en sjöstjärna kan agera självständigt när den reagerar på stimuli, men tillsammans kan de synkronisera sina rörelser för att åstadkomma en hoppande rörelse – deras version av att springa. I åratal har forskare undrat exakt hur en sjöstjärna åstadkommer denna synkronisering, med tanke på att den inte har någon hjärna och ett helt decentraliserat nervsystem.

Svaret, från forskare vid USC Viterbi School of Engineering, publicerades nyligen i Journal of the Royal Society Interface: sjöstjärnan kopplar ihop ett globalt riktningskommando från en ”dominerande arm” med individuella, lokaliserade reaktioner på stimuli för att åstadkomma en koordinerad förflyttning. Med andra ord, när sjöstjärnan ger en instruktion om åt vilket håll de ska röra sig, så kommer de enskilda fötterna på egen hand fram till hur de ska åstadkomma detta, utan ytterligare kommunikation.

Forskarna, däribland professor Eva Kanso vid USC Viterbis avdelning för flyg- och maskinteknik och Sina Heydari, doktorand vid USC Viterbi, har en egen instruktion om hur de ska röra sig.D.-kandidat, fick sällskap av Matt McHenry, biträdande professor i ekologi och evolutionsbiologi vid University of California, Irvine, Amy Johnson, professor i marinbiologi vid Bowdoin College, och Olaf Ellers, forskarassistent i biologi och matematik vid Bowdoin College.

Arbetet bygger på en befintlig hierarkisk modell för beteende, men går längre när det gäller att förklara hur mycket av sjöstjärnans rörelse som sker lokalt jämfört med globalt.

”Nervsystemet bearbetar inte allting på samma ställe samtidigt, utan förlitar sig på att sjöstjärnan är kompetent och kommer att räkna ut det”, säger Kanso, Zohrab A. Kaprielian Fellow in Engineering. ”Om en rörfot trycker mot marken kommer de andra att känna kraften. Denna mekaniska koppling är det enda sätt på vilket en rörfot delar information med en annan.”

Nervsystemet hos en sjöstjärna kännetecknas av en nervring som omger munnen och ansluter till varje enskild arm genom en radialnerv. Musklerna i varje rörfot stimuleras av neuroner som är kopplade till radial- och ringnerven.

Alla fötter kliver i samma riktning när de kryper, men deras rörelse är inte synkroniserad. När sjöstjärnan uppnår den studsande gången verkar dock tiotals fötter samordnas i två eller tre synkroniserade grupper när de uppnår den studsande gången. Forskargruppen, som leddes av Kanso, tittade på båda rörelseformerna och övergången mellan dem. Resultatet är en modell som beskriver hur mycket av en sjöstjärnas rörelse som bestäms av lokala sensomotoriska reaktioner på tubfotsnivå jämfört med globala sensomotoriska kommandon.

I djurvärlden beskrivs beteende ofta med en av två rådande modeller för rörelse; beteende som insektsflygning är resultatet av sensorisk återkoppling som går genom ett centralt behandlingssystem, som sänder ett meddelande som aktiverar en reaktion, eller så är det resultatet av helt decentraliserade, individuella reaktioner på sensorisk information, som i fiskstimmar eller myrkolonier.

Ingen av dessa modeller verkar beskriva rörelsen hos en sjöstjärna.

”När det gäller sjöstjärnan verkar nervsystemet förlita sig på fysiken i samspelet mellan kroppen och miljön för att kontrollera rörelsen. Alla rörfötter är strukturellt knutna till sjöstjärnan och därmed till varandra.”

På detta sätt finns det en mekanism för att ”information” ska kunna kommuniceras mekaniskt mellan rörfötter. En enskild tubfot skulle bara behöva känna av sitt eget tillstånd (proprioception) och reagera därefter. Eftersom dess tillstånd kopplas mekaniskt till andra rörfötter arbetar de tillsammans kollektivt. När rörfötterna börjar röra sig producerar var och en av dem en individuell kraft som blir en del av den sensoriska miljön. På detta sätt reagerar varje rörfot också på de krafter som produceras av andra rörfötter och så småningom etablerar de en rytm med varandra.

Detta liknar andra mekaniska modeller för samordning. Ta till exempel en uppsättning mekaniska metronomer, apparater som används för att hjälpa en musiker att hålla rytmen eller takten. Du kan starta en uppsättning på 10 stycken i alla olika faser och låta dem vila på samma plana yta. Med tiden kommer de att synkroniseras. Varje metronom interagerar mekaniskt med de faser som skapas av de andra metronomerna och ”kommunicerar” därför effektivt med de andra metronomerna tills de börjar slå i fullständig rytm och synkronisering.

Hur sjöstjärnans beteende kan hjälpa oss att utforma effektivare robotsystem

En förståelse för hur ett distribuerat nervsystem, som det hos en sjöstjärna, åstadkommer komplexa, samordnade rörelser skulle kunna leda till framsteg inom områden som robotik. I robotsystem är det relativt enkelt att programmera en robot för att utföra repetitiva uppgifter. I mer komplexa situationer där det krävs anpassning möter robotar dock svårigheter. Hur kan robotar konstrueras för att tillämpa samma fördelar på ett mer komplext problem eller en mer komplex miljö?

Svaret kan ligga i modellen med sjöstjärnan, säger Kanso. ”Genom att använda exemplet med en sjöstjärna kan vi utforma styrenheter så att inlärningen kan ske hierarkiskt. Det finns en decentraliserad komponent för både beslutsfattande och för kommunikation till en global auktoritet. Detta kan vara användbart för att utforma kontrollalgoritmer för system med flera ställdon, där vi delegerar en stor del av kontrollen till systemets fysik – mekanisk koppling – i motsats till input eller ingripande från en central styrenhet.”

Nästan kommer Kanso och hennes team att undersöka hur det globala kommandot för riktningsbestämning uppstår i första hand och vad som händer om det finns konkurrerande stimuli.