Statocyst sensory epithelia ultrastructural analysis of Cephalopods exposed to noise

Abstract

Controlled Exposure Experiments revealed lesions in the statocysts of four cephalopod species of the Mediterranean Sea (Sepia officinalis, Loligo vulgaris, Illex coindetii and Octopus vulgaris), when exposed to relatively low intensity low frequency sounds. The analysis was performed through: scanning (SEM) and transmission (TEM) electron microscopy techniques of the whole inner structure of the cephalopod statocysts, especially on macula and crista; SEM of the epidermal lines of cephalopod hatchlings; and proteomic studies (2DE/MALDI –MS) of the statocyst’s endolymph. All exposed adult individuals presented the same lesions and the same incremental effects over time, consistent with a massive acoustic trauma observed in land species that were exposed to much higher intensities of sound. Immediately after exposure, the damage was observed in the macula statica princeps (msp) and in the crista sensory epithelium. Kinocilia on hair cells were either missing or were bent or flaccid. A number of hair cells showed protruding apical poles and ruptured lateral plasma membranes, most probably resulting from the extrusion of cytoplasmic material. Hair cells were also partially ejected from the sensory epithelium, and spherical holes corresponding to missing hair cells were visible in the epithelium. The cytoplasmic content of the damaged hair cells showed obvious changes, including the presence of numerous vacuoles and electron dense inclusions not seen in the control animals. The appearance of these lesions became gradually more pronounced in individuals after 12, 24, 48, 72, and 96 hours. Special attention was given to validate these findings with control animals that were caught, maintained and sequentially sacrificed following the same protocol as the exposed individuals. The statocyst ultrastructure was therefore revisited and a comparative analysis was carefully conducted to assess the lesions triggered by the exposure to noise This study also presents preliminary results of the sound effects on epidermal lines of cephalopod hatchlings. The lesions, consistent with an acoustic trauma, were identic in the three species that were exposed, but their evolution over time, in opposition with what was observed in the statocysts, were different, suggesting that the animal size and metabolic response might play a role in a possible recovery process. The analysis of noise effects in the statocyst endolymph by proteomic techniques was only conducted on Sepia officinalis. The presence of differential staining of gels from control and subjected to sound exposure individuals demonstrate that the injuries could be related to a possible physiological imbalance that would affect the protein levels of the endolymph. The lesions and findings described here are new to cephalopod pathology. Given that lowfrequency noise levels in the ocean are increasing (e.g. due to shipping, offshore industry, and naval maneuvers), that the role of cephalopods in marine ecosystems is only now beginning to be understood, and that reliable bioacoustic data on invertebrates are scarce, the present study and future investigations will bring an important contribution to the sustainable use of the marine environment.

Després de sotmetre'ls a experiments d'exposició controlada a sons de baixa intensitat i baixa freqüència es van observar lesions en els estatocists de quatre espècies de cefalòpodes de la mar Mediterrània (Sepia officinalis, Loligo vulgaris, Illex coindetii i Octopus vulgaris). L'anàlisi es va realitzar per mitjà de de microscòpia electronica d'escombratge (SEM) i de transmissió (TEM) de tota l'estructura interna de l'estatocist dels cefalòpodes, especialment en la màcula i en la crista, per SEM de les línees epidèrmiques de les larves dels cefalòpodes i per tècniques de proteòmica (2DE/MALDI-MS), de l'endolimfa de l'estatocist. Tots els estatocists d'individus adults de cefalòpodes exposats presentaven les mateixes lesions i aquests efectes eren més greus a mesura que passava el temps després de l'exposició als sons. Tots els animals exposats al soroll van mostrar lesions consistens amb trauma acústic massiu observat en altres espècies terrestres que havien estat exposades a intensitats molt més altes de so. Immediatament després de l'exposició, es van observar danys a la macula statica princeps (msp) i en l'epiteli sensorial de la crista. Els quinocilis de les cèl·lules ciliades desapareixien o es doblegaven i es tornaven flàccids. Un nombre important de cèl·lules ciliades mostraven els pols apicals sobresortint de l'epiteli sensorial, així com el trencament de les membranes plasmàtiques laterals, molt probablement com a resultat de l'extrusió de material citoplasmàtic. Les cèl·lules ciliades també van ser parcialment expulsades de l'epiteli sensorial deixant visibles forats esfèrics en el mateix. El contingut citoplasmàtic de les cèl·lules ciliades danyades va mostrar canvis obvis, com ara la presència de nombrosos vacúols i inclusions electrodenses que no es veien en els animals control. L'aparició d'aquestes lesions es va tornar gradualment més pronunciada en els individus analitzats després de 12, 24, 48, 72 i 96 hores. Es van validar curosament aquests resultats per mitjà de la comparació amb els animals control que van ser capturats, mantinguts i sacrificats de forma seqüencial seguint el mateix protocol que els individus exposats. La ultraestructura de l'estatocist va ser revisada i es va dur a terme un curós anàlisi comparatiu per tal d'avaluar les lesions provocades per l'exposició al soroll. Aquest estudi també presenta els resultats preliminars dels efectes del so en les línies epidèrmiques de cefalòpodes recent nascuts. Les lesions, consistens amb trauma acústic, eren idèntiques en les tres espècies que van ser exposades, però la seva evolució en el temps, en oposició amb el que es va observar en els estatocists, era diferent, cosa que suggereix que la grandària dels animals i la resposta metabòlica podria tenir influència en un possible procés de recuperació. L'avaluació dels efectes en l'endolimfa de l'estatocist per tècniques de proteòmica es va dur a terme només en Sepia officinalis. La presència de taques diferencials en els gels dels individus control i els sotmesos a exposició a so demostren que les lesions podrien estar relacionades amb un possible desequilibri fisiològic que tindria repercusions en els nivells proteics de l'endolimfa. Les lesions descrites aquí són noves pel que fa a la patologia dels cefalòpodes. Atès que els nivells de soroll de baixa freqüència a l'oceà estan augmentant (per exemple, a causa del transport, la indústria petrolera i les maniobres navals), que el paper dels cefalòpodes en els ecosistemes marins només ha començat a ser entès recentment, i que les dades bioacústiques fiables sobre els invertebrats són escasses, el present estudi i les investigacions futures aportaran una important contribució a l'ús sostenible del medi marí.