Essas observaa§aµes destacaram como o hipota¡lamo antecede a evolua§a£o do cérebro dos vertebrados.

Mapa do cérebro. (A) gra¡fico t-SNE das células do sistema nervoso Ciona em girinos nadadores (n = 2.021 células). As células codificadas por cores pertencem a tipos de células na vesacula sensorial. As células cinzentas correspondem a células fora da vesacula sensorial. A identificação dos diferentes clusters foi determinada na fase de larva pela expressão de repa³rteres fluorescentes de membrana sob o controle de sequaªncias regulata³rias para genes enriquecidos no cluster de interesse: (B) FoxP + RNs expressando sequaªncias regulata³rias FoxP especificamente ativas no sistema nervoso (FoxP -NS repa³rter; verde), (C) VPR + RNs (repa³rter Acta; magenta), (D) INs GABAanãrgicos (repa³rter Otp; azul), (E) Stum + PRCs (repa³rter Stum; ciano), (F) células de lente (Glgb2 repa³rter; aqua), (G) as células ciliadas associadas ao ota³lito (OACCs) (repa³rter Capn15; vermelho), (H) mudar os neura´nios (repa³rter L147.32; amarelo), (I) as células ependima¡rias Hh2 + (ECs) (repa³rter S23a1; bege) e (J) a vesacula sensorial pra³-anterior Six3 / 6 + (aSV) (repa³rter Anx13; rosa). A descrição dos genes de fusão usados ​​nos ensaios repa³rter e o número de ranãplicas são fornecidos na tabela S1. Barras de escala, 10 μm. Crédito: Science Advances, doi: 10.1126 / sciadv.abf7452
O hipota¡lamo estãoenvolvido durante a coordenação das funções neuroenda³crinas em vertebrados e sua origem evolutiva pode ser descrita por meio do transcriptoma integrado ou mapas cerebrais conectomas de girinos nadadores de Ciona intestinalis , também conhecido como vaso marinho. Esses organismos servem como uma aproximação de seu protovertebrado ancestral. O mapa incluiu vários tipos de células em relação a diferentes regiaµes do hipota¡lamo dos vertebrados, incluindo o núcleo mamilar , núcleo arqueado e neura´nios magnocelulares . Essas observações destacaram como o hipota¡lamo antecede a evolução do cérebro dos vertebrados. A crista neural e os placodos cranianossão inovações importantes que contribuaram para a evolução da cabea§a dos vertebrados. No entanto, menos se sabe sobre a origem evolutiva da coroa e cume do cérebro dos vertebrados. Em um novo estudo agora na Science Advances , Laurence A. Lemaire e uma equipe de pesquisa em biologia molecular e gena´mica integrativa da Universidade de Princeton, New Jersey, EUA, usaram um extenso mapa de destino transcriptoma de canãlula única do girino Ciona para caracterizar o sistema neural tipos de células que compõem seu cérebro, também conhecidos como veaculo sensorial .
O hipota¡lamo
A vesacula sensorial do girino Ciona contanãm 215 células neurais, incluindo 143 neura´nios, e éa principal responsável por retransmitir informações sensoriais, incluindo luz, gravidade e sinais meca¢nicos para o ga¢nglio motor que controla a cauda do girino. O sistema nervoso central (SNC) de Ciona facilitou mapas de linhagem para permitir o primeiro conectoma abrangente de um acorde. Na tentativa de incluir o conectoma sina¡ptico, Lemaire et al. estudou as origens evolutivas do cérebro dos vertebrados, especificamente o hipota¡lamo. O hipota¡lamo tem origens antigas e forma uma antiga regia£o do cérebro dos vertebrados. A construção éencontrada em todos os vertebrados, incluindo peixes e humanos, o hipota¡lamo controla a homeostase, o metabolismo e as funções reprodutivas por meio de intrincados circuitos neurais interconectados. Neste trabalho, Lemaire et al. propaµem que a principal função do proto-hipota¡lamo de Ciona seja desencadear o inicio da metamorfose das espanãcies de girinos.
Mapa do cérebro
Os cientistas realizaram o perfil do transcriptoma de uma única canãlula da embriogaªnese de Ciona intestinalis, desde a gastrulação atéas larvas nadadoras, para identificar 40 agrupamentos de células estoca¡sticas vizinhas distribuadas por t (t-SNE) do SNC (sistema nervoso central) e sistema nervoso perifanãrico. Lemaire et al. mapearam cada um dos tipos de células neurais que compreendem o cérebro simples dos girinos, também conhecido como suas vesaculas sensoriais. Com base nos estudos, eles identificaram 15 diferentes tipos de células neurais, incluindo células coronet previamente identificadas , neura´nios de Eminens e células de pigmento. Usando genes repa³rter específicos para neura´nios, a equipe identificou uma sanãrie de neura´nios de retransmissão (RNs), incluindo aqueles que expressavam vasopressina e taquicinina (FoxP + ), além de outras que expressam o receptor de vasopressina (VPR + ). Os neura´nios de retransmissão FoxP + eram colinanãrgicos enquanto os neura´nios de retransmissão VPR + eram GABAanãrgicos . Os pesquisadores identificaram uma população subestimada de supostos neura´nios mecanossensoriais, que eles renomearam como "neura´nios alternativos", correspondendo a interneura´nios cerebrais ciliados no mapa conectoma do SNC dos girinos.
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Circuito associado ao coronet em girinos nadadores. (A e B) Expressão de genes repa³rter
para melanopsina [(A), verde] ou pinopsina [(B), verde] e um gene repa³rter Ptf1a (vermelho)
em células coronetas. (C) Os neura´nios switch (repa³rter L147.32; magenta) estão
intimamente associados a s células da coroneta (repa³rter Ptf1a; ciano) e ao ota³lito (repa³rter
βγ-cristalino; amarelo) sem tocar no último. (D) A coexpressão dos genes repa³rter Ptf1a e
Adra2 (vermelho e verde, respectivamente) também mostra associações estreitas de
neura´nios switch e células coronetas. (E a E ″) Visualizações de ampliação mais alta dos
genes repa³rter mostrados em (D). (E) éuma projeção z, (E ′) uma projeção y e (E ″) uma
projeção x, que destaca os contatos canãlula-canãlula extensos entre neura´nios switch e células
coronetas. (F) A expressão de um gene repa³rter FoxP + (verde) mostra o contato pra³ximo
de FoxP + RNs com células de coroneta (repa³rter Ptf1a; vermelho). (G a G ″) Visualizações
de ampliação mais alta dos genes repa³rter mostrados em (F), correspondendo a s projeções
z-, y- e x, respectivamente. (H) gra¡fico de t-SNE da expressão de Pkd2l em todo o sistema
nervoso (n = 2021 células). O carculo pontilhado amarelo e a seta indicam os neura´nios de
switch, enquanto o carculo pontilhado verde e a seta apontam para FoxP + RNs. (I) A
imunocoloração para tubulina acetilada (vermelho) revela calios em neura´nios switch que
foram marcados com repa³rter C2.478 (verde). Todos os ensaios repa³rter foram analisados
​​no esta¡gio de larva. Os genes repa³rteres codificam para proteanas fluorescentes de
membrana e sua descrição, bem como o número de ranãplicas, são fornecidos na tabela
S1. Linhas tracejadas brancas indicam o contorno das regiaµes do tronco dos girinos,
enquanto as linhas amarelas pontilhadas e tracejadas identificam o pigmento do ocelo e
do ota³lito, respectivamente. Barras de escala, 10 μm (A, B, E e G) e 20 μm (C, D, F e I).
Crédito: Science Advances, doi: 10.1126 / sciadv.abf7452
Circuito neuronal
Os cientistas já haviam identificado semelhanças entre as células da coroneta e o hipota¡lamo dos vertebrados, uma vez que liberaram dopamina para expressar diversos neuropeptadeos, incluindo neurotensina-like B e horma´nio liberador de gonadotropina (Gnrh). No entanto, essas células foram previamente descritas para compartilhar semelhanças morfola³gicas com as células da coroneta ou uma regia£o do hipota¡lamo presente em peixes não tropicais. As células da tiara de peixe também expressaram melanopsina e detectaram uma luz de comprimento de onda curto associada ao alongamento sazonal da luz do dia para desencadear a reprodução ao liberar um horma´nio estimulador da tireoide, seguido pela secreção de Gnrh (horma´nio liberador de gonadotrofina) como em outros criadores sazonais. O trabalho mostrou como as células coronetas funcionavam como células sensoriais sensaveis a luz em relação a s suas atividades dopaminanãrgicas e neurossecretoras. As células coronet também interagiram com neura´nios adjacentes, como neura´nios switch e neura´nios retransmissores FoxP + . Com base em sua posição anatômica, os neura´nios switch correspondiam a interneura´nios cerebrais ciliados. Com base nas associações canãlula-canãlula, os neura´nios de retransmissão VPR + também receberam entradas de neura´nios de switch.
Neura´nios de interruptor mecanossensorial
Estudos anteriores haviam mostrado que as células coronet são um na³ sensorial central para neura´nios associados e neura´nios de retransmissão FoxP + . Embora informações detalhadas existam atualmente nas redes que sustentam as especificações das células coronetas, não se sabe muito sobre o desenvolvimento de neura´nios switch ou neura´nios retransmissores FoxP + . Lemaire et al. portanto, concentrou-se em neura´nios alternados devido a seus papanãis como tipos de células mecanossensoriais especializadas em vertebrados, incluindo o laquido cefalorraquidiano contendo neura´nios presentes ao longo do canal central e as cavidades ventriculares do cérebro, incluindo o hipota¡lamo . Além disso, não se sabe muito sobre o desenvolvimento ou função dos neura´nios de contato do laquido cefalorraquidiano de vertebrados(CSF-cNs). Para compreender sua ontogenia, Lemaire et al. criou uma rede de regulação gaªnica provisãoria para neura´nios de switch, usando manãtodos publicados anteriormente. A equipe identificou trajeta³rias de transcriptoma e cascatas temporais de genes que codificam fatores de transcrição nas linhagens celulares para formar neura´nios alternativos. Eles representaram as interconexões resultantes como uma rede de genes provisãoria. Como prova de conceito, eles usaram ensaios de sequenciamento de RNA de canãlula única (scRNA-seq) para entender os tipos de células que são transformadas em neura´nios switch após a expressão incorreta de um gene, para testar a autenticidade da rede.

Integração do transcriptoma de canãlula única do hipota¡lamo de camundongo com o
sistema nervoso de Ciona. (A) Aproximação e projeção de variedade uniforme (UMAP)
mostrando o agrupamento integrado de conjuntos de dados de transcriptoma de canãlula
única do sistema nervoso Ciona (cauda final II e esta¡gio de larva; n = 4445 células) e
hipota¡lamo de camundongo (n = 33.893 células) com base em genes orta³logos compartilhados. Os neura´nios de troca de Ciona e o núcleo mamilar do camundongo
são colocados no mesmo cluster. (B) Colocalização de Ciona VP + RNs, VPR + RNs e
agrupamento de núcleo arqueado Agrp + de camundongo nos dados integrados. (C)
Mapa de calor de genes marcadores compartilhados entre o núcleo mamilar de camundongo
e agrupamentos de núcleos arqueados Agrp + e neura´nios de troca Ciona e VP + / VPR +
RNs, respectivamente. O agrupamento não supervisionado éconsistente com a ortologia
dos neura´nios switch de Ciona e do núcleo mamilar do camundongo, e
Ciona VP + / VPR + RNs e núcleo arqueado Agrp + de
camundongo. Crédito: Science Advances,
doi: 10.1126 / sciadv.abf7452
Mapas de ortologia do hipota¡lamo de camundongo e do sistema nervoso de Ciona
A equipe formou um circuito sensorial putativo apresentando células coronetas como um na³ central, em associação com neura´nios mecanossensoriais de switch e os neura´nios de retransmissão. Os estudos existentes juntamente com a demonstração atual de células coronetas que expressam melanopsina e pinopsina forneceram evidaªncias considera¡veis ​​para a homologia com o hipota¡lamo de vertebrados. Para testar se os neura´nios de retransmissão e o switch associado podem compartilhar homologia com o hipota¡lamo, Lemaire et al. realizado transcriptoma completo para cada um dos 40 tipos de células neurais que compõem o sistema nervoso de Ciona e os comparou com os mapas do transcriptoma do hipota¡lamo de camundongo. Os estudos identificaram duas linhagens Ciona que combinavam com dois grupos diferentes de células hipotala¢micas de camundongo. As análises de transcriptoma comparativas combinadas sugeriram que o circuito neural associado a coroneta contanãm vários tipos de células em relação a diferentes regiaµes do hipota¡lamo de camundongo.
Panorama
Desta forma, Laurence A. Lemaire e colegas identificaram 15 tipos de células diferentes na vesacula sensorial das larvas de Ciona, enquanto o mapa do conectoma identificou 31 tipos de células. A equipe acredita que essa disparidade reflete os diferentes manãtodos de classificação. Por exemplo, eles observaram como um aºnico tipo de canãlula baseado em propriedades genanãticas intransecas poderia adquirir comportamentos distintos por meio de associações com diferentes neura´nios. Os cientistas descreveram cinco tipos diferentes de neura´nios de retransmissão com base nas trajeta³rias e perfis do transcriptoma, enquanto o mapa do conectoma identificou 11 desses neura´nios em relação a s entradas sina¡pticas. Os resultados sugeriram que a morfologia simples do cérebro de Ciona contanãm um proto- hipota¡lamo complexo com um papel durante o inicio da metamorfose nos girinos. Independentemente da função pretendida, este trabalho indica a evidência de vários tipos de células hipotala¢micas em Ciona para sugerir um projeto inesperadamente sofisticado para a evolução do complexo cérebro de vertebrados.