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Como o cérebro de uma mosca calcula sua posição no espaço
As descobertas, publicadas na Nature , também descrevem em detalhes como o cérebro da mosca calcula esse sinal a partir de dados sensoriais mais básicos.
Por Rockefeller University - 15/12/2021


Os cérebros das moscas são capazes de realizar matemática vetorial para calcular a direção da viagem. Crédito: Meishel Desouto

A navegação nem sempre ocorre como planejado - uma lição que as moscas aprendem da maneira mais difícil, quando um forte vento contrário os empurra para trás, desafiando suas asas que batem para a frente. Peixes nadando rio acima, caranguejos correndo para o lado e até humanos pendurados para a esquerda enquanto olham para a direita enfrentam desafios semelhantes. Como o cérebro calcula a direção da viagem de um animal quando a cabeça está apontando para um lado e o corpo está se movendo para outro é um mistério para a neurociência.   

Um novo estudo faz avanços significativos na resolução desse mistério, relatando que o cérebro da mosca tem um conjunto de neurônios que sinalizam a direção em que o corpo está viajando, independentemente da direção para a qual a cabeça está apontando. As descobertas, publicadas na  Nature , também descrevem em detalhes como o cérebro da mosca calcula esse sinal a partir de dados sensoriais mais básicos.  

"Esses neurônios não apenas sinalizam a direção de viagem da mosca, mas também o fazem em um quadro de referência centrado no mundo ", diz o neurocientista Rockefeller Gaby Maimon. O que é notável, acrescenta o primeiro autor, Cheng Lyu, um estudante de graduação no laboratório Maimon, é que esses insetos estão transformando entradas sensoriais referenciadas no corpo em um sinal referenciado mundialmente, permitindo que a mosca saiba que está viajando, por exemplo, 90 graus à direita do sol ou para o norte. 

Encontrar o seu lugar 

Mesmo quando fechamos os olhos, normalmente temos uma boa ideia de onde estamos em uma sala e para que lado estamos olhando. Isso porque, mesmo na escuridão, nosso cérebro constrói uma compreensão interna de onde estamos no espaço. Na década de 1980, os cientistas descobriram que um grupo de células chamadas células da direção da cabeça desempenham um papel fundamental em nos permitir saber nossa orientação angular e mais tarde foi descoberto que as moscas têm células com funções semelhantes. A atividade das células indica o ângulo em que a cabeça está apontando, semelhante a como a agulha de uma bússola indica a orientação de alguém em um ambiente.  

Tudo está bem, desde que estejamos andando - ou as moscas estejam voando - na mesma direção para a qual a cabeça está voltada. As células de direção da cabeça podem ser usadas para atualizar o sentido interno de para onde a pessoa está indo. Mas se caminharmos para o norte olhando para o leste, ou se uma mosca tentar zunir para a frente enquanto o vento a empurra para trás, as células da direção da cabeça apontam para a direção errada. Mesmo assim, o sistema ainda funciona. As moscas são relativamente imperturbadas pelas indignidades das correntes de vento, e os humanos não se perdem quando giram para apreciar a paisagem. Lyu e Maimon se perguntavam como as moscas sabem para onde estão indo, mesmo quando as células de direção da cabeça aparentemente transmitiam informações imprecisas.  
 
Para responder a essa pergunta, Lyu colou moscas de fruta em arreios em miniatura que mantêm apenas as cabeças dos insetos no lugar, permitindo que ele registre a atividade cerebral enquanto deixa as moscas livres para bater suas asas e dirigir seus corpos através de um ambiente virtual. A configuração continha várias dicas visuais, incluindo uma luz brilhante representando o sol e um campo de pontos mais escuros que podiam ser ajustados para fazer a mosca parecer que estava sendo soprada para trás ou para os lados.  

Como esperado, as células de direção da cabeça indicaram consistentemente a orientação da mosca em relação ao sol, simulada pela luz brilhante , independentemente do movimento dos pontos mais escuros. Além disso, os pesquisadores identificaram um novo conjunto de células que indicava para que lado as moscas estavam viajando, e não apenas para a direção que sua cabeça estava apontando. Por exemplo, se as moscas foram orientadas diretamente para o sol no leste ao serem sopradas para trás, essas células indicaram que as moscas estavam (virtualmente) viajando para o oeste. "Este é o primeiro conjunto de células conhecido por indicar em que direção um animal está se movendo em um referencial centrado no mundo", diz Maimon.     

Matemática mental 

Mas a equipe também se perguntou como os cérebros das moscas calculam a direção de viagem do animal no nível celular. Colaborando com Larry Abbott, um teórico do Instituto Zuckerman da Universidade de Columbia, Lyu e Maimon foram capazes de demonstrar que o cérebro da mosca se envolve em uma espécie de exercício matemático. 

Um estudante de física que traça a trajetória de um objeto irá dividir a trajetória em componentes de movimento, traçados ao longo dos eixos xey. Da mesma forma, no cérebro da mosca, quatro classes de neurônios que são sensíveis ao movimento visual indicam a direção de viagem da mosca como componentes ao longo de quatro eixos. Cada classe neuronal pode ser considerada como representando um vetor matemático. O ângulo do vetor aponta na direção de seu eixo associado. O comprimento do vetor indica a velocidade com que a mosca está se movendo nessa direção. "Surpreendentemente, um circuito neural no cérebro da mosca gira esses quatro vetores para que fiquem alinhados corretamente com o ângulo do sol e depois os soma", diz Maimon. "O resultado é um vetor de saída que aponta na direção em que a mosca está viajando, referenciado ao sol." 

A matemática vetorial é mais do que apenas uma analogia para o cálculo que ocorre. Em vez disso, o cérebro da mosca parece estar literalmente executando operações vetoriais. Nesse circuito, as populações de neurônios representam explicitamente os vetores como ondas de atividade, com a posição da onda representando o ângulo do vetor e a altura da onda representando seu comprimento. Os pesquisadores até testaram essa ideia manipulando precisamente o comprimento dos quatro vetores de entrada e mostrando que o vetor de saída muda da mesma forma que faria se as moscas estivessem literalmente somando vetores. 

"Temos um forte argumento de que o que está acontecendo aqui é uma implementação explícita da matemática vetorial em um cérebro." Maimon diz. "O que torna este estudo único é que mostramos, com extensas evidências, como os circuitos neuronais implementam operações matemáticas relativamente sofisticadas."   

Compreendendo a cognição espacial 

A presente pesquisa esclarece como as moscas descobrem para que lado estão indo, no momento. Estudos futuros examinarão como esses insetos controlam sua direção de viagem ao longo do tempo para saber onde eles acabaram. "Uma questão central é como o cérebro integra sinais relacionados à direção de viagem do animal e velocidade ao longo do tempo para formar memórias", diz Lyu. "Os pesquisadores podem usar nossas descobertas como uma plataforma para estudar como a memória de trabalho se parece no cérebro ." 

As descobertas também podem ter implicações para doenças humanas . Como a confusão espacial costuma ser um dos primeiros sinais da doença de Alzheimer, muitos neurocientistas estão interessados ​​em compreender como o cérebro constrói um sentido interno de espaço. "O fato de que os insetos, com seus cérebros minúsculos, têm conhecimento explícito de sua direção de viagem deve obrigar os pesquisadores a procurar sinais semelhantes e operações quantitativas análogas em cérebros de mamíferos", disse Maimon.  

"Tal descoberta pode informar aspectos da disfunção subjacente à doença de Alzheimer, bem como outros distúrbios neurológicos que afetam a cognição espacial." 

 

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