Uma mosca da fruta anda em uma esteira 3D flutuante enquanto cientistas gravam neurônios visuais no cérebro

Rede neural recém-descoberta obtém circuitos visuais e motores em sincronia

Uma mosca da fruta caminha sobre uma pequena bola de isopor moldada em uma esteira 3D flutuante. A sala está completamente escura e, no entanto, um eletrodo que registra os neurônios visuais no cérebro da mosca transmite um misterioso fluxo de atividade neural, subindo e descendo como uma onda senoidal.

Quando Eugenia Chiappe, neurocientista da Fundação Champalimaud em Portugal, viu pela primeira vez esses resultados, ela teve um palpite de que sua equipe havia feito uma descoberta excepcional. Eles estavam gravando de neurônios visuais, mas a sala estava escura, então não havia sinal visual que pudesse conduzir os neurônios dessa maneira.

“Isso significava que a atividade incomum era um artefato, o que era improvável, ou que vinha de uma fonte não visual”, lembrou Chiappe. “Depois que a possibilidade de interferência foi investigada e descartada, tive certeza: os neurônios estavam rastreando fielmente os passos do animal.”

Alguns anos e muitos novos insights depois, Chiappe e sua equipe agora apresentam sua descoberta na revista científica Neurônio: uma rede neural bidirecional que conecta as pernas e o sistema visual para moldar a caminhada.

“Um dos aspectos mais notáveis ​​de nossa descoberta éque esta rede suporta caminhar em duas escalas de tempo diferentes simultaneamente”, disse Chiappe. “Ele opera em uma escala de tempo rápida para monitorar e corrigir cada etapa enquanto promove o objetivo comportamental do animal.”

A carga de um neurônio visual (topo) no cérebro de uma mosca da fruta foi registrada enquanto o animal caminhava livremente em cima de uma esteira 3D flutuante. O rastreamento da posição das pernas mostra que a carga está em sintonia com a perna dianteira da mosca. Crédito: Terufumi Fujiwara & Eugenia Chiappe, Fundação Champalimaud

Rastreando o “humor” neural

“Visão e ação podem parecer não relacionadas, mas na verdade estão intimamente associadas; basta escolher um ponto na parede e tentar colocar o dedo nele com os olhos fechados”, disse Chiappe. “Ainda assim, pouco se sabe sobre a base neural desse link.”

Neste estudo, a equipe se concentrou em um tipo específico de neurônio visual que é conhecido por se conectar a áreas motoras do cérebro. “Queríamos identificar os sinais que esses neurônios recebem e entender se e como eles participam do movimento”, explicou Terufumi Fujiwara, primeiro autor do estudo.

Para responder a essas perguntas, Fujiwara usou uma técnica poderosa chamada gravação de patch de célula inteira que lhe permitiu explorar o “humor” dos neurônios, que pode ser positivo ou negativo.

“Os neurônios se comunicam usando correntes elétricas que alteram a carga geral do neurônio receptor. Quando a carga líquida do neurônio é mais positiva, é mais provável que ele se torne ativo e depois transmita sinais para outros neurônios. Por outro lado, se a carga for mais negativa, o neurônio fica mais inibido”, explicou Fujiwara.

Observando cada passo

A equipe rastreou a carga dos neurônios e revelou que ela estava sincronizada com os passos do animal de uma maneira ideal para ajustar cada movimento.

“Quando o pé estava no ar, o neurônio estava mais positivo, pronto para enviar direções de ajuste para a região motora, se necessário. Por outro lado, quando o pé estava no chão, impossibilitando os ajustes, a carga era mais negativa, inibindo efetivamente o neurônio”, disse Chiappe.

Mantendo o curso

Quando a equipe analisou seus resultados, eles notaram que a carga dos neurônios também estava mudando em uma escala de tempo mais longa. Especificamente, quando a mosca estava andando rápido, a carga se tornava cada vez mais positiva.

“Acreditamos que essa variação ajuda a manter o objetivo comportamental do animal”, disse Fujiwara. “Quanto mais tempo a mosca estiver andando rápido, maiores são as chances de precisar de ajuda para manter esse plano de ação. Portanto, os neurônios ficam cada vez mais ‘mais alertas’ e prontos para serem recrutados para o controle do movimento”.

O cérebro nem sempre é o chefe

Muitos experimentos se seguiram, criando uma descrição mais completa da rede e demonstrando seu envolvimento direto na caminhada. Mas, de acordo com Chiappe, este estudo vai além de revelar um novo circuito visomotor, ele também fornece uma nova perspectiva sobre os mecanismos neurais do movimento.

“A visão atual de como o comportamento é gerado é muito ‘de cima para baixo’: o cérebro comandando o corpo. Mas nossos resultados fornecem um exemplo claro de como os sinais provenientes do corpo contribuem para o controle do movimento. Embora nossas descobertas tenham sido feitas no modelo animal de mosca, especulamos que mecanismos semelhantes podem existir em outros organismos. As representações relacionadas à velocidade são críticas durante a exploração, navegação e percepção espacial, funções comuns a muitos animais, incluindo humanos”, concluiu.

Referência: “Passos a pé direcionam o recrutamento rápido e flexível de circuitos visuais para controle de curso em Drosophila” 6 de maio de 2022, Neurônio.
DOI: 10.1016/j.neuron.2022.04.008