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 .

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.

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.

 

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.

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.

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.

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.